光子検出の光子検出システムおよび方法

专利摘要:
検出された光子数を判定するように構成された光子検出システムであって、検出システムは、アバランシェフォトダイオードと、照明においてアバランシェによる信号がシステムの飽和値よりも小さいようにフォトダイオードの両端にバイアスを印加する手段と、アバランシェ信号の大きさを測定する手段と、を具備する。
公开号:JP2011508869A
申请号:JP2010526100
申请日:2009-01-05
公开日:2011-03-17
发明作者:カーディナル、ビータ・エワ；シールズ、アンドリュー・ジェームズ；ヤン、ジリアン
申请人:株式会社東芝；
IPC主号:G01J1-42

专利说明:

[0001] 本発明は、単一光子を測定するように構成される光子を検出するための光子検出器および方法の分野に関連し、より具体的には、本発明は、光子検出器で受信された光子の正確な数を判定することができる光子を検出するための光子検出器および方法の分野に関する。]
背景技術

[0002] 単一光子を検出することができる検出器（いわゆる単一光子検出器）は、量子暗号の原理を用いて動作するあらゆるシステムの重要なコンポーネントである。上記のシステムは、単一粒子（この場合、分割不能な光子）としてのデータビット伝送に依存している。データは、光子の電場ベクトルの偏光、光子の位相などを用いて符号化されてもよい。]
[0003] しかしながら、単一光子を検出することと同様にまた、放射のパルスにおいて光子数を決定することができる検出器を製造する必要性がある。上記の検出器は、それら光源が真正かつ信頼できる単一光子源かどうかを判定するために、単一光子発生器のような非古典的な光源を特徴づけるのに役立つ。別の潜在的な応用は、量子通信システムにおいて１以上の光子がパルスごとに受信されるかどうかを判定するためである。２つ以上の光子が１つのパルスにある場合、パルスはパルス分裂攻撃を受ける可能性があり、この場合パルスからのほんの１つの光子が盗聴者によって読み取られる。これはシステムのセキュリティを著しく低下させる。このように、１つのパルス中の光子数が正確に判定されることを可能にする検出器を開発することは望ましい。]
[0004] 単一光子検出はまた、分光法、医用画像または天文学のための低線量光検出手段のように有用である。医学および天文学の双方での応用では、高エネルギー光子（Ｘ線など）または高エネルギー粒子は、シンチレーターにおいて多く（１０−１００）の低エネルギー光子に変換される。その後、これらの低エネルギー光子はアバランシェフォトダイオードまたは光電子増倍管によって検出される。生成される低エネルギー光子が空間に散乱されるので、極めて高感度な大面積検出器が必要である。また、上記の検出器のアレイによって、低エネルギー光子の空間分布が、元の光子に関する情報を獲得するために、得られることを可能にする。これらの応用はまた、単一光子検出器に入射する光子数を数える能力から利益を得る。]
[0005] １つのパルスから検出された光子数を判定することができる単一光子検出器を開発する以前の試みは、呼び出される「ガイガーモード」において操作される単一光子アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤｓ）を含んでいる。これらの検出器はバイナリ（”クッリク計数（ｃｌｉｃｋ ｃｏｕｎｔｉｎｇ）”）検出器であり、光子数計数を可能にする複数のデバイスまたは時分割多重化のいずれかを含むいくつかのスキームが提案されている。しかしながら、上記のスキームは、同時に同じ検出器に入射する２つの光子を決定することができない。]
[0006] 発明者らは、検出器に同時に到達する光子数を決定することができるように、ＡＰＤを操作することが可能であることに気づいている。]
[0007] 第１の態様では、本発明は、検出された光子数を判定するように構成された光子検出システムを提供し、検出システムは、アバランシェフォトダイオードと、デバイスを通るアバランシェ電流が飽和する前に、照明によって誘導されるアバランシェ信号を測定する手段と、を具備する。]
[0008] 発明者らは、最初のアバランシェ信号（すなわち飽和前のアバランシェ信号）の大きさがアバランシェを最初に引き起こした光子数を示すことに気づいている。]
[0009] 好ましい実施形態では、アバランシェ信号を測定する手段は、継続期間にフォトダイオードの両端にフォトダイオードの降伏バイアスより高いバイアスを印加する手段と（継続期間は、デバイスの照明後デバイスを通る飽和するアバランシェ電流に要する時間よりも短い）、アバランシェ信号の大きさを測定する手段と、を具備する。このように、降伏を越えたバイアスは、アバランシェが飽和しないような短時間だけ印加される。]
[0010] 好ましくは、システムはアバランシェによる信号を分離する手段を具備する。]
[0011] 例えば、信号を分離する手段は、照明がない状態でのフォトダイオードの応答を補う信号を適用する手段を具備する。これは、ＡＰＤの出力信号から減じられる、キャパシタまたは第２のＡＰＤからの信号を適用することにより実現されてもよい。特に好ましい実施形態では、信号を分離する手段は、フォトダイオードの出力信号を第１の部分および第２の部分に分周する信号分周器（ここで第１の部分は第２の部分と実質的に同一である）と、第１の部分に対して第２の部分を遅らせる遅延手段と、遅延した第２の部分が出力信号の第１の部分での周期的変動を打ち消すために使用されるように、信号の第１および遅延した第２の部分を合成する合成器と、を具備する。このシステムは「自己分化（ｓｅｌｆ−ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｄ）」システムと呼ばれる。]
[0012] 遅延手段は期間の整数倍だけ信号の第２の部分を遅らせるように構成されてもよい。]
[0013] 一般に、合成器に到達する２つの信号は均衡を保つ。しかし、システムは、合成器に達する２つの信号の振幅の均衡を保たせる手段をさらに具備してもよい。例えば、システムは調整可能な減衰器をさらに具備してもよい。]
[0014] システムはまた、別の部分に関して一部分の信号を反転させる手段を具備してもよい。反転は、分周器、合成器、または分周器と合成器との間での転送中のいずれで実現されてもよい。反転は、様々な方法によって実現されてもよく、例えば、分周／合成および反転を行うハイブリッド結合を使用する。また、信号を合成するために、差動コンポーネント（例えば差動増幅器）を用いることは可能である。]
[0015] 自己分化するシステムあるいは補償する信号が適用されるシステムは、従来のシステムより短いゲート期間およびより高い周波数で一般に操作されうる。このように、これらのシステムは、飽和していないアバランシェ信号を抽出することには特に有利である。]
[0016] 周期的なゲート信号はアバランシェフォトダイオードに適用されてもよい。ゲート信号は矩形波信号または正弦波信号でもよい。アバランシェ飽和を防ぐためには、ゲート継続期間は典型的には１ｎｓ未満、より好ましくは０．８ｎｓ以下、さらに好ましくは０．５ｎｓ以下、例えば０．４ｎｓである。最大の可能なゲート継続期間は、より高く印加された超過バイアスに対して一般により短い。]
[0017] 好ましくは、ゲート信号は、１ＭＨｚを超えた、より好ましくは５０ＭＨｚを超えた、さらに好ましくは１００ＭＨｚを超えた周波数を有している。]
[0018] 上記の議論では、アバランシェ飽和を防ぐように十分に短いゲートバイアスを印加することにより、飽和の前にアバランシェ信号を測定している。しかしまた、飽和するアバランシェを生成するためにシステムを操作することは可能であるが、アバランシェ信号は、飽和するのにアバランシェが要する時間未満の時間で測定される。初期のアバランシェ信号を捕獲し、その信号をアバランシェが飽和するとして遮断する回路を用いることにより、これを実現することができるかもしれない。]
[0019] システムがどのように構成されるかにかかわらず、アバランシェ信号の大きさは電流または電荷に関して測定されてもよい。]
[0020] 第２の態様では、本発明は、アバランシェフォトダイオードによって検出された光子数を判定するための回路を提供し、回路は、デバイスを通るアバランシェ電流が飽和する前に、照明によって誘導されるアバランシェ信号を測定する手段を具備する。]
[0021] 第３の態様では、本発明は、アバランシェフォトダイオードによって検出された光子数を判定する方法を提供し、デバイスを通るアバランシェ電流が飽和する前にアバランシェフォトダイオードにおいて照明によって誘導されるアバランシェ信号を測定することを具備する。]
[0022] 好ましい構成では、照明源は、光子がアバランシェフォトダイオードに達する場合にアバランシェ信号が測定されるように、同期されている。アバランシェ信号の大きさは、検出されている光子数を判定するために、１以上の所定のレベルと比較されてもよい。]
[0023] 本発明は今、以下の限定されない実施形態を参照して説明される。]
図面の簡単な説明

[0024] 図１は、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を用いる従来技術の検出システムを示す。図１ａは、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を用いる従来技術の検出システムの概略図であり、図１ｂは、図１ａのＡＰＤの入力信号に関する時間に対する電圧の概略のプロットである。また、図１ｃは、図１ａの検出システムに関する時間に対する電圧としての出力信号のプロットである。
図２は、異なるフラックスに関する図１ａの光子検出システムの出力の振幅の統計を示す。
図３は、本発明の実施形態にしたがってアバランシェフォトダイオードを具備する検出システムを示す。図３ａは、図３ｂのデバイスへの入力信号のプロットである。図３ｂは、本発明の実施形態にしたがうアバランシェフォトダイオードを具備する検出システムの概略図である。図３ｃは、図３ａのＡＰＤの出力信号から導き出される第１の部分のプロットである。図３ｄは、遅らされている図３ａのＡＰＤの出力信号から導き出される第２の部分のプロットである。図３ｅは、図３ｂのデバイスによって生成された自己分化出力信号のプロットである。
図４は、０．６２ＧＨｚのＡＰＤゲート周波数の図３のシステムの実際の出力のプロットである。
図５は、図３ｂの光子検出システムの出力の振幅の統計を示す。
図６は、５つの異なるフラックスに関する図３ｂの光子検出システムの出力の振幅の、測定されモデル化された統計を示す。
図７は図３ｂのデバイスについての変形である。
図８は、図３の検出システムについてのさらなる変形を示す。図８ａは、図３ｂの検出システムについてのさらなる変形の概略図である。図８ｂは、図８ａの検出システムへの入力信号のプロットである。
図９は、図３ｂの検出システムの変形である検出システムの概略図である。
図１０は、アバランシェフォトダイオードとキャパシタを組込む検出システムである。
図１１は、互いに打ち消すように配置された２つのＡＰＤを具備する検出システムの概略図である。
図１２は、本発明のさらなる実施形態にしたがう検出システムを示す。図１２ａは、本発明のさらなる実施形態にしたがう検出システムの概略図である。図１２ｂは、図１２ａのＡＰＤの入力信号に関して時間に対する電圧の概略プロットである。図１２ｃは、図１２ａの検出システムに関して時刻に対する生の出力信号電圧のプロットである。図１２ｄは、図１２ａのシャッターによって適用されたプロファイルのプロットである。図１２ｅは、図１２ａのシャッターによって変更されている出力を示す。] 図１ 図１０ 図１１ 図１２ 図１２ａ 図１２ｂ 図１２ｃ 図１２ｄ 図１２ｅ 図１ａ
実施例

[0025] 図１ａは、複数の単一光子を検出するために用いられてもよい既知の検出システムの概略図である。それはアバランシェフォトダイオード１および抵抗器３を具備する。この例において、抵抗器は５０Ω抵抗器であるが、他の抵抗を用いることができる。アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）１は逆バイアスにおいて構成される。ゲート信号が図１ｂに示されるように機能する入力信号は、入力５と接地７との間に適用される。] 図１ａ 図１ｂ
[0026] 図１ｂに示される入力電圧は、周期的な一連の方形電圧パルスであり、それは第１の値Ｖ１と第２の値Ｖ０との間で変化する。Ｖ１はアバランシェフォトダイオード１の降伏電圧より高くなるために選択される。上記の電圧がアバランシェフォトダイオードに印加される場合、検出器は、検出器特性記述セットアップにおいてパルスレーザ２および減衰器４で典型的に作られた弱い光源によって生成された入射光子に鋭敏になる。] 図１ｂ
[0027] 吸収される光子は、ＡＰＤで電子と正孔のペアを生成し、それらはＡＰＤ内部の電場によって分離され加速される。ＡＰＤのアバランシェ領域内の電場により、電子または正孔は、ＡＰＤを通る巨視的で検出できる電流を引き起こす余剰キャリアのアバランシェを引き起こすかもしれない。]
[0028] 巨視的な電流は、図１ｃにおいて示されるように、抵抗器３の両端の電圧降下を監視することにより通常検出される。電圧スパイク１３は、光子が検出されたことを示す。しかし、ＡＰＤに有限の電気容量（典型的には１ピコファラッド）を有しているので、出力はまた、ゲートパルスの立ち上がりエッジに反応するとき、ＡＰＤ電気容量の充電による充電パルス９を含み、ゲートパルスの立ち下がりエッジでの下降するバイアスに反応するとき、ＡＰＤ電気容量の放電による放電ディップが続く。充電パルスは正であり、光子に誘導されるアバランシェをしばしば不明瞭にする。このように、アバランシェスパイク１３の振幅が充電パルス９を超えるように、ＡＰＤバイアス電圧はしばしば増加する。その後、すべての充電パルスのレベルを越えた識別レベルを設定することによって、アバランシェを検出することができる。] 図１ｃ
[0029] 従来のＡＰＤでは、ダイオードは、アバランシェ電流が飽和することを可能にする時間にその降伏電圧より大きくバイアスをかけられる。よって、アバランシェ信号サイズは外部回路によって判定される。このように、１以上の光子によって引き起こされたアバランシェ信号に差がないので、１つのパルスでの光子数を識別することは不可能である。]
[0030] 図２の結果によって証拠づけられるように、このように操作されたシステムは、１つのパルス内の光子数を判定するために用いられえない。図２は図１ａのシステムに関するアバランシェピーク（図１のピーク１３）の振幅がどのようであるかの統計を示す。この測定では、ＡＰＤは望ましい光子束に減衰された１５５０ｎｍでのパルスレーザダイオードによって照明された。ＡＰＤは、ＡＰＤ降伏より大きい２．５Ｖの過剰電圧および４Ｖの振幅を有した３．５ナノセカンドの方形電圧パルスを用いてゲート制御された。レーザパルスおよびＡＰＤゲートは最大検出効率を生成するために同期され、クロックレートは１００ｋＨｚであった。図２に示されるように、ＡＰＤ応答の振幅はオシロスコープを用いて記録され、振幅のヒストグラムは十分な測定数で累積され、図２ではｘ軸は予想されるアバランシェ位置（図１ｃ参照）でのｍＶでのＡＰＤ応答信号ピークの高さであり、ｙ軸は１００００のレーザパルスごとの高さのピーク出現数を表す。] 図１ 図１ａ 図１ｃ 図２
[0031] 上部の線は、ＡＰＤで受信されたパルス当たり０．８１の光子のフラックスに対応する。中央の線はパルス当たり０．３４６の光子のフラックスに対応し、下部の線はパルス当たり０．０３２の光子のフラックスに対応する。]
[0032] 光子数決定検出器にとっては、光子数検出器信号出力は検出された光子数に比例する。光子の量子化された特質により、光子数（すなわち１、２、３）にしたがう離散分布は、図２の記録された信号振幅ヒストグラムに予期される。さらに、光子数ごとの重みは、検出器が光子数を決定する場合にポアソン分布にしたがう光子束にしたがって変化すると予期される。しかし、これは図２での場合ではない。] 図２
[0033] ３つの全てのフラックスに関して、中央ピーク高、すなわち最も共通するピーク高はおよそ８０ｍＶである。０．８１の最大の検出されたフラックスでは、多くのパルスが２以上の光子を含んでいると予期され、一方、検出されたフラックスが０．０３２のように低かった場合ではこれは予期されない。しかし、両方のフラックスは同様な中央ピーク高を示すので、図１のＡＰＤシステムは、１つの光子を有するパルスと２つの光子を含むパルスとを区別するために用いられない。] 図１
[0034] 光子がパルスにおいて検出されなかったときに、−９ｍＶで中心となる大きなピークは信号出力に対応する。]
[0035] 図３ｂは本発明の実施形態にしたがう回路を示す。] 図３ｂ
[0036] 図１ｂを参照して説明されたタイプの入力信号３ａが適用されてもよい。しかし、入力信号はその降伏電圧を越えてデバイスにバイアスをかけることができるほど十分に大きい必要がある。特にこの例において、アバランシェピークが充電ピークよりも小さいように、バイアスは設定される。] 図１ｂ
[0037] 図３ａに示されるように印加されるバイアスは、照明後、ＡＰＤが、アバランシェ電流が飽和するために必要な時間よりも短い時間にその降伏より大きくバイアスされるように印加され、その時間は印加されるバイアスに依存して典型的には１ナノセカンド以上である。これは、アバランシェを引き起こしている光子数に関連する高さを有するピークをもたらす。] 図３ａ
[0038] 単一光子によって誘導されるアバランシェは、光子が吸収される領域にＡＰＤ内に空間的に閉じ込められている局所的な微視的なフィラメントをまず形成するように提案される。ＡＰＤの両端のバイアスが維持されると、フィラメントは最終的に、装置の全体を流れる電流ができかつ電流が飽和するまで広がる。]
[0039] このように、デバイスが逆にバイアスがかけられている時間を制限することによって、アバランシェを引き起こしている光子数に関連する信号を測定することが可能である。]
[0040] しかし、以前に説明されたように、ＡＰＤは低周波でしばしば動作される。図３ｂの回路は、より高い周波数で動作されうるＡＰＤを示し、このように非常に短い時間だけ装置に逆バイアスをかけることが可能であるものを示す。] 図３ｂ
[0041] 従来どおり、デバイスは抵抗器５３と直列に提供されるアバランシェフォトダイオードを具備する。抵抗器５３の両端で落とされる電圧はまず電力分割器５５に入力される。電力分割器５５は、出力信号を図３ｃに示される第１の部分と、図３ｃに示される第１の部分に同一である第２の部分とに分割する。その後、これらの２つの信号は電力分割器５５のポート５７および５９を介して出力される。ポート５９を介して出力される信号は、ゲート期間に等しい継続期間だけ信号を遅らせる働きをする遅延線５６に入る。遅延信号は図３ｄに示される。その後、信号の第１の部分および遅延した第２の部分はハイブリッド結合６１に供給される。ハイブリッド結合６１は、図３ｅにおいて示される出力を与える１８０°位相シフトを有する信号の第１および遅延した第２の部分を合成する。] 図３ｃ 図３ｄ 図３ｅ
[0042] 図３ｃでわかるように、ＡＰＤ５１によって光子誘導アバランシェは電圧スパイク信号７３を生成する。図３ｄは、信号が１クッロク周期だけ遅延していることを除けば図３ｃの同一の複製物である。４ｄから３ｃを数的に減じることによって、ピーク７７およびディップ７５は、光子の存在を示す図３ｅの線に見られる。正のピークの後に負のディップが続いている（もしくは装置の配置に依存して、負のディップの後に正のピークが続いている）条件は、光子の検出を示す明確な印を認める。] 図３ｃ 図３ｄ 図３ｅ
[0043] 図３ｂにおける回路は、自己分化する回路を用いるハードウェアにおいて上記に説明された数値的に自己分化することを行なう。] 図３ｂ
[0044] その後、自己分化回路の出力は、アバランシェによるピークの大きさを判定するピーク測定手段６３に供給される。光子数は、アバランシェ電流に関連するピーク高さを判定する、またはアバランシェ電荷を与えるピーク下の領域を判定することにより判定されてもよい。]
[0045] 電力分割器５５は、Ｍｉｎｉ−ｃｉｒｃｕｉｔｓから部品番号ＺＦＲＳＣ−４２＋で売られるタイプでもよく、ハイブリッド結合はまた、Ｍｉｎｉ−ｃｉｒｃｕｉｔｓから利用可能な部品番号ＺＦＳＣＪ−２−４で利用可能である。電力分割器とハイブリッド結合とを結ぶ、２つの異なる長さを有する２本の同軸ケーブルを使用することによって、正確な遅延を実現することができる。電力分割器５５、遅延線５６およびハイブリッド結合６１の組合せは、単一のプリント基板上に統合されてもよいことは注意されるべきである。]
[0046] 典型的には、ゲート周波数は１．２５ＧＨｚでありゲート幅は０．４ナノセカンドでもよい。より低い電圧レベルは降伏より４．６Ｖ低く、より高いレベルは降伏電圧より２Ｖ高いかもしれない。降伏電圧は典型的には、ＩｎＧａＡｓＡＰＤに関して４７Ｖであるかもしれない
図４は、アバランシェによるピークを有する自己分化された出力の実際のデータを示す。高周波では、完全に打ち消ししない自己分化をもたらす、ゲートバイアスの周波数での振動（図３ｅには図示せず）がしばしばある。このように、図４のデータはアバランシェ信号に加えてこの振動を示す。アバランシェピークを容易に識別することができることはデータから見られうる。] 図３ｅ 図４
[0047] 図５は、図３ｂのシステムに関するピークの振幅の統計を示す。ｘ軸は電圧での測定されたピークの高さであり、ｙ軸は１００００のレーザパルス当たりの高さのピーク出現数を表わす。この測定では、ＡＰＤは、その強度がパルス当たり検出される平均して１．５４の光子を生成するように設定された減衰されたレーザによって照明された。] 図３ｂ 図５
[0048] 実線は減衰レーザ源のポアソン光子数分布を使用する理論的なモデル化を示し、ドットは実際のデータを表す。用いられる１．５４のフラックスでは、光子が検出されないかなりの割合のパルスであって、図５の約０．０５Ｖでゼロ光子ピーク７２を生成するパルスがある。ゼロ光子ピーク７２の振幅は、用いられる不完全な自己分化回路のため、厳密にゼロではない。実際上、完全に打ち消す自己分化回路を開発するのは難しい。このように、光子がない場合、小さな残差信号が常にある。図５のゼロ光子ピークのアバランシェ振幅が、図４の振動構造と合致していることを理解することができる。] 図４ 図５
[0049] ０．０９Ｖ付近に形成されるピーク７４は、１つの光子によって形成されるアバランシェに起因していて、約０．１３Ｖでのピーク７６は２つの光子の検出によって形成されるアバランシェに起因していて、０．１６Ｖでのピーク７８は３つの光子の検出によって形成されるアバランシェに起因していて、０．１９Ｖでのピーク７９は４つの光子の検出によって形成されるアバランシェに起因している。このように、図２のデータとは異なり、システムは、異なる数の光子に起因するアバランシェによって形成されるピークを区別するために用いられうる。] 図２
[0050] 図６は、異なるフラックスに関する図３ｂのシステムに関するピークの振幅の統計を示す。
図６ａでは、０．１のフラックス（μ）を有するビームは図３ｂのＡＰＤを照明するために用いられる。０．０５１Ｖでの強いピークは、「ゼロ光子」ピークとして目立つ雑音により見られる。さらなるピークも、パルス内の１つの光子の検出により０．０８７Ｖに集中される測定のうちのいくつかにおいて観測される。それ以上、ピークは見られない。] 図３ｂ 図６ 図６ａ
[0051] ０．２のフラックスに関するデータは図６ｂにおいて示される。再び０の光子に対応する大きなピークは０．０５１Ｖで見られ、約０．０８７Ｖでのピークは単一光子の検出に対応して見られる。しかし、図６ｂにおける単一光子ピークは、図６ｂのフラックスが図６ａのフラックスの２倍であるので、多くのパルスが単一光子を含むように約２倍だけ図６ａでのそれよりも大きい。] 図６ａ 図６ｂ
[0052] ０．８のフラックスに関するデータは、図６ｃに示される。再び、０の光子に対応する大きなピークは、０．０５１Ｖで見られ、約０．０８７Ｖでのピークは単一光子の検出に対応して見られる。図６ｃでの単一光子ピークは、より多くのパルスが図６ｃのデータでの光子を含むとして予期される図６ｂのそれより大きい。] 図６ｂ 図６ｃ
[0053] しかし、図６ｃにおいて、新規のピークは０．１２Ｖとして中心となるわずかな測定において見られる。これは、測定のうちのいくつかについては、２つの光子が検出されたことを示すピーク振幅が見られることを示す。] 図６ｃ
[0054] １．５４のフラックスに関するデータは図６ｄに示される。再び、０の光子に対応する大きなピークが０．０５１Ｖで見られ、約０．０８７Ｖでのピークは単一光子の検出に対応して見られる。２つの光子に対応する０．１２Ｖでのピークは、より多くのパルスがより高いフラックスによる２つの光子を含むので、このデータにおいてより顕著である。] 図６ｄ
[0055] 最終的に３．３の極めて高いフラックスに関するデータが図６ｅに示される。再び、０の光子に対応する大きなピークは、０．０５１Ｖで見られ、約０．０８７Ｖでのピークは単一光子の検出に対応して見られる。２つの光子検出に対応する０．１２Ｖでのピークは、０の光子および１つの光子に関するピークより大きい。さらに、新規のピークは、３つの光子を有するパルスの検出に対応する０．１５１Ｖで生じるのを見られる。] 図６ｅ
[0056] 図３ｂは、ＡＰＤの１つの可能な自己分化回路を例示した。] 図３ｂ
[0057] 図７は、図３ｂを参照して説明されたデバイスについての変形を示す。図７のデバイスは、ＡＰＤおよび抵抗器（図示せず）から出力をとり、ハイブリッド結合８１にそれを提供する。図３ｂの電力分割器５５を参照して説明されるハイブリッド結合８１は、出力を第１の部分と第２の部分に分離する。しかし、ハイブリッド結合８１はまた、信号の第１の部分と信号の第２の部分との間で１８０°位相シフトを導入する。信号の第１の部分は出力８３を介して出力され、第２の部分は出力８５を介して遅延線８７に送信される。] 図３ｂ 図７
[0058] 図３ｂおよび図７のシステムは両方とも、電力分割器／合成器およびハイブリッド結合の組合せを用いている。しかし、ハイブリッド結合は位相シフタと電力結合器との組み合わせに置き換えられてもよい。例えば電力合成器および１８０°位相シフタがある。] 図３ｂ 図７
[0059] 図３ｂのシステムについてのさらなる変形では、調整可能なＲＦ減衰器が提供され、それは、２つの信号が等しい振幅を有する電力合成器またはハイブリッド結合に達することを保証するために、ハイブリッド結合６１（図３ｂ）または電力合成器８９（図７）への入力のどちらかにおいて用いられてもよい。] 図３ｂ 図７
[0060] 典型的には、ハイブリッド結合および電力分割器／合成器にはすべて有限の応答周波数範囲を有する。例えばハイブリッド結合では、Ｍｉｎｉ−ｃｉｒｃｕｉｔｓのＺＦＳＣＪ−２−４は、５０ＭＨｚから１ＧＨｚまでの周波数範囲を有している。信号が範囲の外の周波数成分を含んでいる場合、それはうまくいかないかもしれず、打ち消しは完全ではないかもしれない。信号対バックグラウンド比を向上するために、さらにバンドパスフィルタがこれらの周波数成分を除去するために用いられてもよい。図３ｂでは、例えば、低バンドパスフィルタはハイブリッド結合出力の後に配置されてもよい。] 図３ｂ
[0061] 電力合成器８９の出力は、アバランシェを生じさせた光子数を判定するために、電力合成器の出力の振幅を判定するように構成される測定手段９０に供給される。]
[0062] 図８は、図３および７を参照して説明されたシステムについてのさらなる変形を示す。
図８ａのシステムは、図３ｂを参照して説明されるように、アバランシェフォトダイオード５１と、抵抗器５３とを有する。さらに、抵抗器５３の両端で落ちた電圧の信号は、第１の部分および第２の部分に信号を分割する電力分割器５５に伝えられる。第１の部分は出力５７を介して出力され、第２の部分は出力５９を介して遅延線５６へ出力される。その後、信号の第１の部分および遅れた第２の部分は、１８０°位相差を有する信号の２つの部分の信号を合成するハイブリッド結合６１に供給される。] 図３ 図３ｂ 図８ 図８ａ
[0063] しかし、図８ａの装置では、入力電圧信号は、図３ａに示されるような方形パルスの周期的な列ではなく、図８ｂにおいて示されるような正弦波電圧信号である。アバランシェ降伏に関するしきい値の上下でＡＰＤにバイアスをかけるために十分な電圧振幅を信号が持つ限り、正弦波信号を持った図８ａの検出システムにバイアスをかけることは可能である。実際、検出器は任意の周期的電圧信号でバイアスされてもよい。] 図３ａ 図８ａ 図８ｂ
[0064] 正弦波ゲート電圧に応じて、ＡＰＤ出力も正弦波である。光子検出による偶発的なアバランシェスパイクは正弦波出力に重ね合わされる。アバランシェスパイクの振幅はシヌソイド出力のものより典型的にはるかに小さい。しかし、図３ｂを参照して以前に説明されたように、電力分割器、遅延線およびハイブリッド結合を用いることによって、正弦波成分を大部分打ち消すことができ、アバランシェスパイクは明瞭に見えるようになる。] 図３ｂ
[0065] さらに、正弦波信号の任意の小さな残りの成分は、正弦波信号の周波数に合わせられる帯域阻止フィルタ６３によってハイブリッド結合６１の出力から取り除かれてもよい。信号は増幅器６５に渡されて、その後、出力信号での光子誘導スパイクの振幅を決定するために、測定手段６７に渡される。]
[0066] 図９は図３のシステムにおけるさらなる変形を示し、構成は図３を参照して説明されたものと同様である。出力信号はその後、電力分割器１０１に供給される。電力分割器１０１は信号を第１の部分および第２の部分に分割する。第１の部分は出力１０３を介して出力され、第２の部分はさらに遅延線１０７に供給される出力１０５を介して出力される。その後、信号の２つの部分は差動増幅器１０９に供給される。増幅器１０９の構成により、２つの入力の差のみが増幅される。区別された信号は、アバランシェを生じている光子数を決定するために、信号の振幅を測定する測定手段１１０に渡される。] 図３ 図９
[0067] 図３から９は、ＡＰＤから光子数情報を導くために自己分化する処理を用いている。しかし、出力信号の大きさがアバランシェを引き起こした光子数と相関しているように、ＡＰＤを駆動するために他の技術を用いることは可能である。] 図３
[0068] これを行う一つの試みは図１０に示される。不必要な反復を回避するために、同様の参照番号が図１のものと同様な特徴を示すために用いられる。図１０は再びアバランシェフォトダイオード１および抵抗器３を有している。キャパシタ２１およびさらなる抵抗器２３は、抵抗器３および２３は連続して接続されるように、アバランシェフォトダイオード１と抵抗器３と直列に形成される。] 図１ 図１０
[0069] この回路から、Ｖ１とＶ０の間で変化するＡＰＤに関する合成されたＤＣおよびパルスのバイアスは、ＡＰＤに適用され、一方（Ｖ１とＶ０の間で変化する）パルス信号だけはキャパシタに適用される。キャパシタ２１からの出力信号は、光子の吸収がない状態でＡＰＤ１からの出力信号と同様になる。その後、ＡＰＤ１およびキャパシタ２１からの出力はハイブリッド結合２５で合成される。ハイブリッド結合２５は、その２つの入力のうちの１つの位相を逆にする。したがって、ハイブリッド結合２５は、ＡＰＤ１とキャパシタ２１との両方からの出力信号（１８０°の位相差がありその結果それらはほとんど打ち消し合う）を合成する。これは充電９および放電１１のピークが部分的に打ち消し合うことを可能にする。]
[0070] ハイブリッド結合２５の出力は、アバランシェ信号を引き起こした光子数を判定するために出力でのピークの高さを測定する測定手段２６に供給される。]
[0071] 図１１は、図１０のシステムへのさらなる改善を示し、キャパシタ２１が今、第２のＡＰＤ２３に置き換えられる。] 図１０ 図１１
[0072] 不必要な反復を回避するために、同様な参照数字は同様な特徴を示すために用いられる。]
[0073] 第２の抵抗器３１および第２のＡＰＤ３３は、図１０の第２の抵抗器２３およびキャパシタ２１と同じ位置に提供される。その後、第１のＡＰＤ１および第２のＡＰＤ３３の出力は、成分が互いに打ち消すために１８０°位相差を有するハイブリッド結合３５で合成される。その後、ハイブリッド結合の出力は、アバランシェ信号を引き起こした光子数を判定するために、出力でのピークの高さを順番に測定する測定手段３７に供給される。] 図１０
[0074] 図１２は、本発明のまたさらなる実施形態の概略図である。図１２では、降伏電圧を越えたバイアスは、アバランシェが飽和することを可能にする時間に適用される。しかし、アバランシェ信号の測定が単に極めて短い時間だけで行なわれるように、信号は遮断される。] 図１２
[0075] 図１２ａのシステムは図１のそれと同様である。したがって、任意の不必要な反復を回避するために、同様な参照数字は同様な特徴を示すために用いられる。] 図１ 図１２ａ
[0076] 図１に示すように、入力電圧は図１２ｂに示され、そして電圧が降伏電圧の値より上のＶ１の値に上げられたとき、検出器は入射光子に鋭敏になる。信号Ｖｏｕｔは図１２ｃに示される。これは、図１ｃに示されるものと同様であり、アバランシェ信号は飽和し、このように外部回路によって判定される。しかし、この出力信号Ｖｏｕｔはシャッター回路６に供給される。シャッター回路６はアバランシェ信号の部分をブロックアウトし、アバランシェ信号はプロファイル１４を使用することによって飽和する。シャッター回路６の出力は、図１２ｅに示され、単一の孤立パルス１５であるＶ’ｏｕｔである。アバランシェ信号が飽和する前に、このパルスが導き出されているように、このパルスの高さの測定は受け取った光子数を示す。] 図１ 図１２ｂ 図１２ｃ 図１２ｅ 図１ｃ

权利要求:

請求項1
検出される光子数を判定するように構成される光子検出システムであって、アバランシェフォトダイオードと、デバイスを通るアバランシェ電流が飽和している以前に、照明によって誘導されるアバランシェ信号を測定する手段と、を具備する検出システム。
請求項2
アバランシェ信号を測定する前記手段は、継続期間に、前記フォトダイオードの両端の前記フォトダイオードの降伏電圧より大きなバイアスを印加する手段と、前記継続時間は、デバイスの照明の後に飽和するために、デバイスを通るアバランシェ電流に必要である時間よりも短く、前記アバランシェ信号の大きさを測定する手段と、を具備する請求項１のシステム。
請求項3
前記アバランシェによる信号を分離させる手段をさらに具備する請求項１または２のシステム。
請求項4
前記信号を分離させる前記手段は、照明がない場合での前記フォトダイオードの応答を補う信号を適用する手段を具備する請求項３のシステム。
請求項5
前記アバランシェフォトダイオードにゲート信号を適用する手段をさらに具備する請求項１から４のいずれか１項のシステム。
請求項6
前記ゲート信号は方形ゲート信号である請求項５のシステム。
請求項7
前記ゲート信号は５０ＭＨｚを越えた周波数を有している請求項５または６のシステム。
請求項8
前記信号を分離する前記手段は、前記フォトダイオードの前記出力信号を第１の部分および第２の部分に分割する信号分周器と、前記第１の部分は第２の部分と実質的に同一であり、前記第１の部分に関して前記第２の部分を遅らせる遅延手段と、前記信号の前記第１および遅延した第２の部分を、前記遅延した第２の部分が前記出力信号の前記第１の部分での周期的変動を打ち消すために使用されるように、合成する合成器と、を具備する請求項３または４のいずれか１項、または請求項２または３に従属している場合での請求項５から７のいずれか１項のシステム。
請求項9
前記遅延手段は前記期間の整数倍だけ前記信号の前記第２の部分を遅らせるように構成される請求項８のシステム。
請求項10
前記合成器に達する前記２つの信号の前記振幅の均衡を保たせる手段をさらに具備する請求項８または９のシステム。
請求項11
前記信号の他の部分に関して前記信号の一部分を反転させる手段をさらに具備する請求項８から１０のいずれか１項のシステム。
請求項12
アバランシェ信号を測定する前記手段は、前記アバランシェが飽和することを可能にする時間に、前記降伏を超えたバイアスを印加するように構成され、前記アバランシェ信号は、前記アバランシェが飽和するのにかかる時間よりも短い時間で測定される請求項１のシステム。
請求項13
前記ＡＰＤから測定された信号に作用し、前記アバランシェ電流が飽和している前記信号の前記部分を遮断するように構成されたシャッター手段をさらに具備する請求項１２のシステム。
請求項14
前記アバランシェ電荷またはアバランシェ電流は光子数を判定するために測定される請求項１から１３のいずれか１項のシステム。
請求項15
アバランシェフォトダイオードによって検出される光子数を判定する回路であって、デバイスを通る前記アバランシェ電流が飽和している以前に照明によって誘導されるアバランシェ信号を測定する手段を具備する回路。
請求項16
アバランシェフォトダイオードによって検出された光子数を判定する方法であって、デバイスを通るアバランシェ電流が飽和している前にアバランシェフォトダイオードでの照明によって誘導されるアバランシェ信号を測定することを具備する方法。
請求項17
継続時間に前記フォトダイオードの両端に前記フォトダイオードの降伏電圧より大きなバイアスを印加することと、前記継続時間は、デバイスの照明の後に飽和するために、デバイスを通るアバランシェ電流に必要である時間よりも短く、前記アバランシェ信号の大きさを測定することと、を具備する請求項１６の方法。
請求項18
前記アバランシェが飽和することを可能にする時間に、前記フォトダイオードの両端に前記フォトダイオードの降伏電圧より大きなバイアスを印加することと、前記アバランシェが飽和するのにかかる時間よりも少ない時間に、前記アバランシェ信号を測定することと、を具備する方法。
請求項19
前記照明源は、光子がアバランシェフォトダイオードに達する場合にアバランシェ信号が測定されるように、同期されている請求項１６から１８のいずれか１項の方法。
請求項20
前記アバランシェ信号の前記大きさは、検出されている光子数を判定するために、１以上の所定のレベルと比較される請求項１６から１９のいずれか１項の方法。