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光通信波長帯高速単一光子検出器

国内特許コード P110001910
整理番号 2005JP0100
掲載日 2011年3月22日
出願番号 特願2008-503827
登録番号 特許第5326081号
出願日 平成19年3月2日(2007.3.2)
登録日 平成25年8月2日(2013.8.2)
国際出願番号 JP2007054060
国際公開番号 WO2007102430
国際出願日 平成19年3月2日(2007.3.2)
国際公開日 平成19年9月13日(2007.9.13)
優先権データ
  • 特願2006-059505 (2006.3.6) JP
発明者
  • 井上 修一郎
  • 行方 直人
  • 笹森 真司
出願人
  • 学校法人日本大学
発明の名称 光通信波長帯高速単一光子検出器
発明の概要 光通信波長帯で、単一光子検出器を高速に動作させることを目的とする。InGaAs/InPアバランシェフォトダイオード(APD)1に、降伏電圧より低い直流バイアス電圧2をかける。周波数500MHzの正弦波のゲート信号3を直流バイアス電圧2に重ねて、1周期の一部で降伏電圧を4V程度超えるように、APD1に加える。APD1を通過した正弦波のゲート信号3をフィルター4で取り除く。検出信号5へのゲート信号3の混入をほぼ完全に取り除けるのでS/Nがよくなり、なだれ増倍時間を短くしても単一光子を検出できる。したがって、アフターパルスを低減でき、検出周期を短くできる。このようにして、波長1550nmの通信波長帯の単一光子を高速に検出できる。
従来技術、競合技術の概要


光通信においては、光ファイバの損失が最も少ない1550nm帯が利用される。次世代の量子情報通信を実用化するためには、この通信波長帯における高速な単一光子検出器が必要である。現在、1550nm帯の単一光子の検出には、この波長において最も高い感度を有するInGaAs/InPアバランシェフォトダイオード(Avalanche Photo-Diode: APD)が利用されている(非特許文献1、2、3)。APDにより単一光子を検出する方法は、基本的にガイガーモード方式である。それを改良したゲート方式とアクティブクエンチ方式もある。



APDを用いた光子検出において、繰返し動作を制限する最大の要因は、アフターパルスの発生である。アフターパルスは、なだれ電子の一部が欠陥準位などに捕獲され、一定時間後に放出されて、新たななだれを発生することにより出力されるパルスである。アフターパルスの発生確率は、APD中を流れるなだれ電流の大きさに比例する。なだれ増倍の終息後、時間の経過とともに低下する。バイアス電圧を低くしてなだれの規模を小さくすることにより、アフターパルスの発生を抑えることができるが、なだれを小さくすると光子検出が難しくなる。



ガイガーモード方式では、APDに降伏電圧以上の直流電圧をかけて、光子により発生するなだれ増倍電流を電圧に変換して光子を検出する。InGaAs/InPのAPDをガイガーモード動作させた場合は、アフターパルスの発生確率が非常に大きい。なだれ電流とアフターパルス雑音が終わるまで次の光子を検出できないので、1μsに1つ程度しか検出できない。よって、このAPDを使用する際には、短い時間のみAPDをガイガーモードにするゲート動作が用いられる。



ゲート方式では、アフターパルス雑音を低減するために、光子の到達予定時刻において1ns程度の短い時間だけ、APDをガイガーモードにする。図18に示すように、APDに降伏電圧よりも低い直流電圧を印加し、直流電圧にゲートパルス信号を重畳して、1ns程度の短い時間だけ、APDの降伏電圧を超えるようにする。光子により発生するなだれ増倍電流を電圧に変換して光子を検出する。ゲート信号に矩形波を用いる検出方法では、検出の閾値を、出力信号中のゲート信号成分(チャージパルス)の電圧以上に設定しなくてはならない。よって、光検出の際には、この閾値を超える大きななだれ増倍電流が必要になる。1個の光子に対するなだれ発生率である量子効率は、APDに印加する電圧に比例する。熱雑音でなだれが発生する暗計数率も電圧に比例するため、量子効率と暗計数率は常にトレードオフの関係にある。典型的な動作例では、動作温度は-30℃(243K)であり、繰返し周波数は100kHz前後であり、ゲート信号の幅は数nsである(非特許文献3、4)。



アクティブクエンチ方式では、光子検出に応じて、強制的にアバランシェ増幅を停止させて、アフターパルス雑音を抑圧する。APDに降伏電圧を超える電圧を印可し、光子検出によるなだれ増倍の発生を検知すると、APDの両端電圧を降伏電圧以下にして、なだれ増倍を終息させる。その後再び、APDに、降伏電圧を超える電圧を印加する。この動作を繰り返しながら、光子検出を連続的に行う。以下に、これに関連する従来技術の例をいくつかあげる。



特許文献1に開示された「単一光子検出器」は、波長1550nm付近に感度を有する高効率な単一光子検出器である。波長1550nm付近に感度を有するInGaAs-APDをガイガーモードで動作させる。その際に、APDを冷却し、かつAPDを、GPQCによってゲートモードで動作させる。



特許文献2に開示された「単一光子の検出方法」は、単一光子の入射を精度良く検出できる方法である。アバランシェフォトダイオードのブレークダウン電圧を下回る所定電圧を発生する。この所定電圧との合成電圧がブレークダウン電圧を上回るパルス電圧を、単一光子発生源による光子の出射と共に出力されるトリガー信号に同期して生成して、アバランシェフォトダイオードに印加する。その状態において、アバランシェフォトダイオードに光子を入射させる。アバランシェフォトダイオードによって出力されるパルス信号の出力レベルが、所定のしきい値を超えたときに、光子の入射を検出する。アバランシェフォトダイオードに対するパルス電圧の印加開始タイミングを、光子の入射付近の最適タイミングに調整する。



特許文献3に開示された「単一光子検出装置」は、休止時間に相当する基準値の設定変更と、発生したアフターパルスの除去が、簡単容易にできるものである。アバランシェフォトダイオードを受光素子とする単一光子検出手段で、光子を検出する。制御手段で、すべての検出時刻を記憶する。直前の光子検出時刻との時間差が、予め設定した基準値よりも長い検出時刻のみを有効と判断する。こうして、アフターパルスを除去する。



特許文献4に開示された「長距離量子暗号システム」は、受信部の光子の損失を少なくし、高効率低ダークカウント確率の単一光子検出器を用いて、伝送距離を長くした量子暗号システムである。暗号鍵情報受信部で、波長1550nmのレーザー光パルスを、水平偏光の参照光パルスと垂直偏光の信号光パルスに分割する。信号光パルスを遅延させて送出する。暗号鍵情報送信部では、参照光パルスの偏光面を90°回転させる。信号光パルスには、ランダムな位相シフトを与えて、偏光面を90°回転させる。これらを減衰させて単一光子パルスにして送り返す。暗号鍵情報受信部では、帰還参照光パルスにランダムな位相シフトを与えて遅延させ、帰還信号光パルスと重ね合わせて、偏光分割器で偏光状態に応じて分離し、トラップキャリアの緩和時間だけ休止させるAPDで検出することで、暗号鍵情報を得る。



特許文献5に開示された「光子検出装置」は、アバランシェフォトダイオードの充電パルスによるノイズを除去しないで光子を検出する装置である。アバランシェフォトダイオードに、降伏電圧よりも低めの直流電圧をバイアス電圧として印加する。光子到着予定時刻に、狭幅の電圧パルスを直流電圧に重畳して、アバランシェフォトダイオードに印加する。光子が到達してアバランシェ電流が発生すると、充電パルスによるノイズが小さくなるので、それを波高弁別器で検知して、光子到達を判定する。



非特許文献1には、「電子冷却したInGaAsアバランシェフォトダイオードを用いる単一光子検出器」が報告されている。電子冷却したInGaAsアバランシェフォトダイオードを用い、1550nmの光に感度があるゲートモードの単一光子検出器である。238Kの動作温度において、24.3%の量子効率を得た。ゲート当たりのダークカウント確率は、9.4×10-5である。



非特許文献2には、「ペルチエ冷却したInGaAs/InP APDを用いる量子鍵配布のための光子計数器」が報告されている。3種類のInGaAs/InPアバランシェフォトダイオードを電子冷却して、1550nmにおける光子計数の動作を調べた。最良の結果は、ゲート(2.4ns)当たりのダークカウント確率は、2.8×10-5である。検出効率は10%で、温度は-60℃である。アフターパルス確率とタイミングジッタも調べて、その結果を他の報告と比較し、量子鍵配布システムのシミュレーションに応用した。54km伝送では、誤り率は10%になるようだ。



非特許文献3には、「長距離光ファイバ量子鍵配布用単一光子検出器」が報告されている。液体窒素冷却したInGaAs/InPアバランシェフォトダイオードについて、1550nmにおける光子計数の動作を調べた。-55℃で、量子効率は13.7%である。1nsのゲート当たりのダークカウント確率は、2.4×10-5である。この単一光子検出器は、理想的な状態では、104.4kmの光ファイバで量子鍵を配布できる。



非特許文献4には、「単一光子検出用のアバランシェフォトダイオードとクエンチ回路」が報告されている。アバランシェフォトダイオードは、ガイガーモードでは、アバランシェクエンチ回路が接続されて、降伏電圧以上で動作し、単一光子の検出に用いられる。それで、単一光子アバランシェダイオード(SPAD)と呼ばれる。この動作に適当な回路構成を詳細に調べて、光子計数における相対的利点と動作タイミングを評価した。単純な受動クエンチ回路(PQC)は、SPAD素子の試験と選択に有用であるが、応用範囲にかなり制限がある。適切に設計された能動クエンチ回路(AQC)では、SPADの能力を最大に引き出すことができる。厚いシリコンのSPADは、高電圧(250-450V)で動作し、光子検出効率は、540nmから850nmの波長において50%以上であり、1064nmでも3%である。薄いシリコンのSPADは、低電圧(10-50V)で動作し、効率は500nmで45%である。830nmで10%であり、1064nmでは0.1%である。薄いシリコンのSPADでは、光子のタイミングにおける時間分解能は、20ps(FWHM)である。厚いシリコンのSPADでは、350~150ps(FWHM)である。最小の計数不感時間と最大計数率は、厚いシリコンのSPADでは40nsと10Mcpsであり、薄いシリコンのSPADでは、10nsと40Mcpsである。ゲルマニウムとIII-V族元素の化合物半導体のSPADでは、光子計数可能な範囲は、少なくとも波長1600nmの近赤外領域まで延びる。



非特許文献5には、「通信波長用高性能一体型単一光子検出器」が報告されている。商用のアバランシェフォトダイオード(APD)と、それを単一光子検出器(SPD)として動作させる回路を、単一のプリント基板に一体化した。ペルチエ冷却器で冷却可能な温度(200-240K)において、この一体型単一光子検出器は、1308nmと1545nmで低いダークカウント確率で高い検出効率を達成した。例えば、220Kで検出効率20%のとき、バイアスパルス当たり約10-6である。それは、量子鍵配布に役立つ。高速のバイアスパルスを発生して、変化時ノイズをキャンセルして信号を増幅し、一体の判別器に送る。デジタル消去回路で、アフターパルスを抑圧する。



非特許文献6には、「1550nmにおける量子ビット判別用平衡型ゲートモード光子検出器」が報告されている。2つのアバランシェフォトダイオード(APD)を組み合わせて、1550nmにおける量子ビット判別用の光子検出器を作製した。ゲートモードにおいて発生するスパイクノイズは、2つのAPDの平衡出力で相殺する。スパイクノイズの相殺により、判別器の閾値を下げることができる。それにより、ゲートパルス電圧も下げることができる。ダークカウント確率とアフターパルスの確率は、178Kにおける検出効率(11%)に悪影響を与えることなく、それぞれ7×10-7と7×10-4に下げられた。



非特許文献7には、「室温におけるInGaAs/InPアバランシェフォトダイオードによる14MHzでの光子計数」が報告されている。InGaAs/InPアバランシェフォトダイオードを用いて、波長1550nm用の高速のゲートモード単一光子計数器を開発した。室温で14MHzまで動作し、アフターパルス確率は0.2%以下である。量子効率が14%でダークカウント確率が0.2%の場合、最適雑音等価電力は、2.2×10-15WHz-1/2である。高速光子計数器を比較するための指標として、ゲート周波数当たりの雑音等価電力を用いる。この指標では、この装置は、波長1550nmの従来の計数器を凌駕している。1ns以下のゲート幅で、光子計数に対するダークカウントの相違を示す振幅分布に基づいて、所与のバイアス電圧に対して最適判定閾値を設定できる。



非特許文献8には、「波長1550nmの10.5kmの光ファイバによる鍵配送速度45kHzでの量子鍵配布」が報告されている。高速単一光子検出器は、効率的な量子鍵配布に不可欠である。波長1550nmの光を使い、単一光子検出器を10MHzで動作させて、光ファイバで鍵配布を行った。アフターパルス発生を抑圧するために、放電パルス計数により、単一光子を検出した。さらに、単一光子検出に不感時間を設定してアフターパルスを無視し、量子鍵配布におけるビット誤り数を減らした。量子鍵配布において、放電パルス計数を行い、アフターパルスを無視することにより、ビット誤り率が2%で45kHzの鍵配送速度を達成した。光ファイバの長さは、10.5kmである。



【特許文献1】
特開2003-142724号公報
【特許文献2】
特開2003-243694号公報
【特許文献3】
特開2003-282933号公報
【特許文献4】
特開2003-289298号公報
【特許文献5】
特開2005-114712号公報



【非特許文献1】
A. Yoshizawa, and H. Tsuchida, "A single-photon detector using a thermoelectrically cooled InGaAs avalanche photodiode," Jpn. J. Appl. Phys., vol.40, no.1, pp.200-201, 2001
【非特許文献2】
D. Stucki, G. Ribordy, A. Stefanov, H. Zbinden, J. G. Rarity, and T. Wall, "Photon counting for quantum key distribution with Peltier coold InGaAs/InP APD's," J. Mod. Opt., vol.48, no.13, pp.1967-1982, 2001.
【非特許文献3】
N. Namekata, Y. Makino, and S. Inoue, "Single-photon detector for long-distance fiber optic quantum key distribution,"Opt. Lett., vol.27, no.11, pp.954-956, 2002.
【非特許文献4】
S. Cova, M. Ghioni, A. Lacaita, C. Samori, and F. Zappa, "Avalanche photodiodes and quenching circuits for single-photon detection," Appl. Opt., vol.35 no.12, pp.1956-1976, 1996.
【非特許文献5】
D. S. Bethune, W. P. Risk, and G. W. Pabest, "A high-performance integrated single-photon detector for telecom wavelengths," J. Mod. Opt., vol.51, no.9-10, pp.1359-1368, 2004.
【非特許文献6】
A. Tomita and K. Nakamura, "Balanced gated-mode photon detector for quantum-bit discrimination at 1550nm," Opt. Lett., vol.27, no.20, pp.1827-1829, 2002.
【非特許文献7】
P. L. Voss, K. G. Koprulu, S.-K. Choi, S. Dugan, and P. Kumar,・"14MHz rate photon counting with room temperature InGaAs/InP avalanche photodiodes," J. Mod. Opt., vol.51, no.9-10, pp.1369-1379, 2004.
【非特許文献8】
A. Yoshizawa, R. Kaji, and H. Tsuchida, "10.5 km fiber-optic quantum key distribution at 1550 nm with a key rate of 45 kHz," Jpn. J. Appl. Phys., vol.43, no.6A, pp. L735-L737.

産業上の利用分野


本発明は、光通信波長帯高速単一光子検出器に関し、特に、アバランシェフォトダイオードを正弦波でゲート駆動する光通信波長帯高速単一光子検出器に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
通信波長帯の単一光子を検出するアバランシェフォトダイオードと、前記アバランシェフォトダイオードの降伏電圧を超えない直流電圧をカソードに印加するバイアス手段と、前記降伏電圧を超えるように前記直流電圧に重ねて正弦波ゲート信号を加えるゲート手段と、前記アバランシェフォトダイオードの出力信号中の正弦波ゲート信号成分を取り除くフィルターとを具備し、前記正弦波ゲート信号の周波数は、前記アバランシェフォトダイオードの特性に対応してS/N比を最大化する周波数であり、前記正弦波ゲート信号が前記降伏電圧を超える超過電圧は、前記正弦波ゲート信号の周波数に応じて1Vから5Vの間に設定されることを特徴とする単一光子検出器。

【請求項2】
通信波長帯の単一光子を検出するアバランシェフォトダイオードと、前記アバランシェフォトダイオードの降伏電圧を超えない直流電圧をカソードに印加するバイアス手段と、前記降伏電圧を超えるように前記直流電圧に重ねて基本波の正弦波と高調波とからなるゲート信号を加えるゲート手段と、前記アバランシェフォトダイオードの出力信号中のゲート信号成分を取り除く複数のフィルターとを具備し、前記ゲート信号の周波数は、前記アバランシェフォトダイオードの特性に対応してS/N比を最大化する周波数であり、前記ゲート信号が前記降伏電圧を超える超過電圧は、前記ゲート信号の周波数に応じて1Vから5Vの間に設定されることを特徴とする単一光子検出器。

【請求項3】
通信波長帯の単一光子を検出するアバランシェフォトダイオードと、前記アバランシェフォトダイオードの降伏電圧を超えない直流電圧をカソードに印加するバイアス手段と、前記降伏電圧を超えるように前記直流電圧に重ねて光子到来周波数の整数倍の周波数の正弦波ゲート信号を加えるゲート手段と、前記アバランシェフォトダイオードの出力信号中の正弦波ゲート信号成分を取り除くフィルターとを具備し、前記正弦波ゲート信号が前記降伏電圧を超える超過電圧は、前記正弦波ゲート信号の周波数に応じて1Vから5Vの間に設定されることを特徴とする単一光子検出器。

【請求項4】
通信波長帯の単一光子を検出するアバランシェフォトダイオードと、前記アバランシェフォトダイオードの降伏電圧を超えない直流電圧をカソードに印加するバイアス手段と、前記降伏電圧を超えるように前記直流電圧に重ねて光子到来周波数の整数倍の周波数の基本波の正弦波と高調波とからなるゲート信号を加えるゲート手段と、前記アバランシェフォトダイオードの出力信号中のゲート信号成分を取り除く複数のフィルターとを具備し、前記ゲート信号が前記降伏電圧を超える超過電圧は、前記ゲート信号の周波数に応じて1Vから5Vの間に設定されることを特徴とする単一光子検出器。

【請求項5】
前記ゲート手段は、光源レーザーのモードロック信号から矩形波を生成する手段と、前記矩形波から所望の高調波を取り出す帯域通過濾波器と、前記高調波を前記ゲート信号に加える正弦波とする手段とを備えることを特徴とする請求項4記載の単一光子検出器。

【請求項6】
前記フィルターは、方向性結合器を用いるフィルターであることを特徴とする請求項1~5のいずれかに記載の単一光子検出器。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2008503827thum.jpg
出願権利状態 登録
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