JP2004264097A

JP2004264097A - 光子検出装置

Info

Publication number: JP2004264097A
Application number: JP2003053160A
Authority: JP
Inventors: Junichi Abe; 淳一安部; Takashi Mizuochi; 隆司水落
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-02-28
Filing date: 2003-02-28
Publication date: 2004-09-24

Abstract

【課題】光子検出素子の見かけ上の応答速度を高速化すること。
【解決手段】入射光を偏向する光偏向器１２と、光子を検出する複数の光子検出素子１４−１〜１４−ｎを有するアレイ型ＡＰＤ光子検出器１４と、光偏向器１２の出力光が複数の光子検出素子１４−１〜１４−ｎ上を掃引するように光偏向器１２を駆動する光偏向器駆動手段１３と、各光子検出素子１４−１〜１４−ｎに光偏向器１２の出力光が入射されるタイミングに合うように各光子検出素子１４−１〜１４−ｎにバイアス電圧としてのゲートパルスを印加するバイアス印加手段１５と、複数の光子検出素子１４−１〜１４−ｎからの検出信号を時系列信号に変換するデータ処理手段とを備える。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、単一光子光源を用いた量子暗号の伝送などの量子情報処理に利用される光子検出装置に関し、特に単一光子レベルでの光子検出を高速になし得る光子検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
単一光子検出器は、従来からの高感度光測定での使用に加え、量子暗号や量子計算などの量子情報処理の分野において必須の技術となることから、近年、急速にその需要が高まりつつある。特に、量子暗号や量子通信では、通常の光通信と同様に、通信速度の高速化と通信距離の延伸化のため、高速でかつ高検出効率である光子受信装置が必要とされてきている。
【０００３】
単一光子レベルの信号光を受信する超高感度光測定では、通常、冷却アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤともいう：ａｖａｌａｎｃｈｅｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）や光電子増倍管（ＰＭＴ：ともいうｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒｔｕｂｅ）を用いた光子検出器が用いられている。特に、１．５μｍの通信波長帯では、ＰＭＴにはほとんど感度がないため、冷却ＡＰＤを用いた光子検出器を使用することが一般的な方法である。
【０００４】
１．５μｍ帯での光子検出には、感度の問題からインジウム・ガリウム・砒素系（ＩＮＧａＡｓ）系のＡＰＤが用いられることが多い。インジウム・ガリウム・砒素系（ＩＮＧａＡｓ）系のＡＰＤを用いた光子検出に関する従来技術として、例えば、非特許文献１参照がある。
【０００５】
この非特許文献１において、光子検出に用いられるＡＰＤはガイガー（Ｇｅｉｇｅｒ）動作モードと呼ばれる特殊なバイアス条件で駆動される。ガイガー動作モードでは、ＡＰＤの降伏電圧ＶＢよりも若干高めに逆バイアス電圧を印加した状態にしておき、光子の入射によって生じた電子雪崩を、パルス信号として観測するようにしている。また、入射される光子がクロック信号に同期して周期的に飛来するような場合には、信号光子が入射されるタイミングに合わせてＡＰＤの降伏電圧ＶＢより大きな逆バイアス電圧（ゲートパルス）を順次周期的に印加するゲーティドガイガー（ｇａｔｅｄＧｅｉｇｅｒ）動作モードと呼ばれる駆動方式が用いられる。すなわち、逆バイアス電圧が降伏電圧ＶＢより大きくなった瞬間にちょうど光子が入射されれば、一定の検出効率で出力信号に信号パルスが発生する。光子検出できなかったときには、出力には何も出力されない。
【０００６】
このような光子検出器を、例えば量子暗号通信に使用する場合、通信速度をあげるためには、光子が飛来する時間間隔Ｔを短くすればよい。ところが、例えば、前述した非特許文献１にあるように、ゲーティドガイガー動作モードで駆動されるＡＰＤによる光子検出器では、アフターパルス（ａｆｔｅｒｐｕｌｓｅ）という現象が生じ、光子検出後に、クロック信号に同期してＡＰＤにゲートパルスを印加した場合に、光子が入射されていないのにも関わらず、電子雪崩が生じ、誤った信号パルスが出力されることがある。このアフターパルスの発生間隔は、光子検出後の経過時間が長ければ長いほど低下する。なお、アフターパルスとは、ＡＰＤにおいて、前回のアバランシェ増幅の際に素子に残留してしまったキャリアによって引き起こされるものである。
【０００７】
図５は、入射光の強度が非常に微弱で、ゲートパルス列に対して光子がまばらにしか検出されない場合について、光子検出とアフターパルス発生確率とゲートパルス列との関係を示した模式図である。
【０００８】
図５（ａ）はゲートパルス列の時間間隔Ｔが短い場合であり、光子検出後、アフターパルス計数率Ｐａｆｔｅｒ（Δｔ）が大きいうちに次のゲートパルスが印加されるため、光子が入射されていないのにも関わらず、誤って検出信号が出力されてしまう確率が大きくなる。
【０００９】
一方、図５（ｂ）はゲートパルス列の時間間隔Ｔ´が長い場合を示しており、光子検出後十分時間がたった後に、次のゲートパルスが印加されるため、アフターパルスによる誤った検出信号は発生しなくなる。
【００１０】
図６は光子検出から時間ｔ経過したときに、アフターパルスが発生する確率Ｐａｆｔｅｒ（ｔ）を観測した実験データである。図６から判るように、光子検出から０．５μｍｓ経過した後でも１０^−２程度アフターパルスが発生する確率があることがわかる。したがって、通信速度をあげるため、光子が飛来する間隔を短くすればするほど、誤り信号が発生する確率が増大することになる。例えば、図６の特性を有するＡＰＤ光子検出器を用いた場合には、Ｔ＝０．５μｍとした場合に、およそ１％の誤りが生じることになる。
【００１１】
前述したアフターパルスの影響を取り除くため、入射光の強度が非常に微弱で、ゲートパルスの周期に対して、光子がまばらにしか検出されない場合には、光子検出後、一定時間ゲートパルスの印加をしない時間を設け、アフターパルス計数率が十分低下した後に、ゲートパルスの印加を再開するという方法などが提案されている（例えば、非特許文献２参照）。
【００１２】
しかしながら、この方法では、光子が頻繁に飛来する場合には、ゲートパルスの印加を止めることによって生じる不感時間が長くなって、検出の効率が低下するため、実用的な方法ではなくなる。
【００１３】
【非特許文献１】
Ｄ．Ｓｔｕｃｋｉｅｔａｌ．， ”ＰｈｏｔｏｎｃｏｕｎｔｉｎｇｆｏｒｑｕａｎｔｕｍｋｅｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｗｉｔｈＰｅｌｔｉｅｒｃｏｏｌｅｄＩｎＧａＡｓＡＰＤｓ，” Ｊ．Ｍｏｄ．Ｏｐｔ．４８，１９６７（２００１））
【非特許文献２】
Ｄ．Ｓｔｕｃｋｉｅｔａｌ．， ”Ｑｕａｎｔｕｍｋｅｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｖｅｒ６７ｋｍｗｉｔｈａｐｌｕｇ＆ｐｌａｙｓｙｓｔｅｍ，” ＮｅｗＪ．Ｐｈｙｓ４，４１．１−４１．８（２００２）；Ａ．Ｙｏｓｈｉｚａｗａｅｔａｌ．， ”ＡＭｅｔｈｏｄｏｆＤｉｓｃａｒｄｉｎｇＡｆｔｅｒ−ＰｕｌｓｅｓｉｎＳｉｎｇｌｅ−ＰｈｏｔｏｎＤｅｔｅｃｔｉｏｎｆｏｒＱｕａｎｔｕｍＫｅｙＤｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，” Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．４１，６０１６−６０１７（２００２））
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の光子検出器においては、アフターパルスの影響により、光子検出の応答速度を十分に高速にすることが困難であるという課題がある。
【００１５】
また、上記のようにアフターパルスの影響によって生じる、光子検出器の応答時間制限の他にも、本来的にＡＰＤがもつ素子特性による応答速度制限も生じる。通常ＡＰＤでは、応答速度と量子効率はトレードオフの関係にあるため、高い量子効率が必要とされる光子検出器では、十分な応答速度を得ることが困難であるという課題があった。
【００１６】
この発明は上記に鑑みてなされたもので、見かけ上の応答速度を単一の光子検出器を用いたときより大幅に向上させ得る、高速な光子検出装置を得ることを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明にかかる光子検出装置は、入射光を偏向する光偏向器と、光子を検出する複数の光子検出素子を有する光子検出器と、前記光偏向器の出力光が前記複数の光子検出素子上を掃引するように、前記光偏向器を駆動する光偏向器駆動手段と、前記光偏向器の出力光が前記各光子検出素子に入射されるタイミングに合うように各光子検出素子にバイアス電圧としてのゲートパルスを印加するバイアス印加手段と、前記複数の光子検出素子からの検出信号を時系列信号に変換するデータ処理手段とを備えたことを特徴とする。
【００１８】
この発明によれば、複数光子検出素子を順次掃引するように光偏向器によって入射光子パルス列を偏向するようにしており、これにより、各光子検出素子の見かけ上の応答速度を高速化することが可能となり、低速な光子検出素子を用いた際でも、高速に光子検出を行うことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる光子検出装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００２０】
実施の形態１．
図１は実施の形態１の光子検出装置の構成を示す概念図である。この実施の形態１の光子検出装置は、入射された光子パルス列１１の各入射光子の進行方向を変える光偏向器１２と、同期信号に基づいて光偏向器を駆動する光偏向器駆動手段１３と、複数の光子検出素子（例えば冷却アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ））１４−１〜１４−ｎを列状（アレイ状）に併設したアレイ型ＡＰＤ光子検出器１４と、アレイ型ＡＰＤ光子検出器１４の各ＡＰＤ１４−１〜１４−ｎにＡＰＤの降伏電圧ＶＢより大きな逆バイアス電圧（ゲートパルス）を順次周期的に印加するバイアス印加手段１５と、アレイ型ＡＰＤ光子検出器１４の各ＡＰＤ１４−１〜１４−ｎから出力される検出信号を、時系列信号（シリアル信号）に変換するデータ処理手段１６とを備えている。
【００２１】
入射光子パルス列１１における各入射光子の時間間隔（周期）をＴとする。アレイ型ＡＰＤ光子検出器１４は、複数のＡＰＤ１４−１〜１４−ｎから構成され、複数のＡＰＤ１４−１〜１４−ｎをアレイ状さらにはマトリックス状に併設したものである。
【００２２】
光偏向器１２は、同期信号としてのクロック信号に同期して動作する光偏向器駆動手段１３によって駆動され、入射光子パルス列１１の各入射光子を偏向する。光偏向器駆動手段１３は、光偏向器１２に印加する電圧を制御することにより、入射光子パルス列１１の各入射光子の偏向角及び偏向速度を調整する。すなわち、光偏向器駆動手段１３は、アレイ型ＡＰＤ光子検出器１４上の各ＡＰＤ１４−１〜１４−ｎに順次パルス列が入射されるように、別言すれば光偏向器１２の出力光が複数のＡＰＤ上を掃引するように、光偏向器１２に印加する電圧を制御する。
【００２３】
光偏向器１２としては、音響光学効果を用いた音響光学偏向器（ＡＯＤ：Ａｃｏｕｓｔｏ−ｏｐｔｉｃａｌｄｅｆｌｅｃｔｏｒ）が挙げられる。ＡＯＤでは、音響光学素子内に発生した音響光学波が光学的な屈折率変化を引き起こし、生じた回折格子により入射光が回折される効果を用いている。ＡＯＤによる偏向角Δθは、入射光子の波長λ、音響光学素子内の音響速度Ｖａ、及び印加する音響周波数Δｆを用いて次のように与えられる。
【００２４】
Δθ＝λ・Δｆ／Ｖａ
上式から分かるように、偏向角ΔθはＡＯＤに印加する音響周波数Δｆに比例する。したがって、光偏向器駆動手段１３の出力電圧の変調周波数を変化させることで、偏向角Δθを自由に選ぶことが可能である。偏向角Δθについては、ＭＨｚオーダーの掃引速度で掃引することが可能である。
【００２５】
また、光偏向器１２としては、電気光学効果を用いた電気光学偏向器（ＥＯＤ：Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃａｌｄｅｆｌｅｃｔｏｒ）を用いることもできる。ＥＯＤでは電気光学効果によって生じた屈折率変化を用いて、入射光の偏向を行う。この場合、偏向角Δθは使用する電気光学素子の種類、大きさ、印加電圧、入射光の偏光方向などによって決定される。
【００２６】
また、光偏向器１２としては、ガルバノミラーや多角柱（ポリゴン）ミラーなどの反射鏡を用いた機械的偏向器を用いることができる。機械的偏向器の場合、ＡＯＤやＥＯＤを用いた場合に比べ、高速性や集積化の面では劣るが、低損失かつ簡易に光偏向器を実現することが可能である。
【００２７】
図２は、バイアス印加手段１５がアレイ型ＡＰＤ光子検出器１４の各ＡＰＤ１４−１〜１４−ｎに印加するゲートパルス列（逆バイアス電圧）の様子を、模式的に表したものである。また、図３は、ゲートパルス列の電圧ＶｂｉａｓとＡＰＤ電流との関係を示すものである。図３中のＩｄはＡＰＤの暗電流を表している。
【００２８】
図２に示すように、バイアス印加手段１５は、同期信号に基づいて、ｎ個の各ＡＰＤ１４−１〜１４−ｎに対し、入射光子パルス列１１の時間間隔Ｔのｎ倍の周期ｎＴで、ゲートパルス列を印加する。また、バイアス印加手段１５によって各ＡＰＤ１４−１〜１４−ｎに時間間隔ｎＴで印加される各ゲートパルス（逆バイアス電圧）は、図３に示すように、ＡＰＤの降伏電圧ＶＢより大きな電圧ＶＢ＋ΔＶと、ＡＰＤの降伏電圧ＶＢより小さな電圧ＶＢ−ΔＶの間で変化するものである。
【００２９】
このように、ｎ個のＡＰＤ１４−１〜１４−ｎを用い、これらｎ個のＡＰＤ１４−１〜１４−ｎに対し入射光子パルス列１１の時間間隔Ｔのｎ倍の時間間隔ｎＴでゲートパルスを印加するようにしているので、個々のＡＰＤ１４−１〜１４−ｎに必要とされる応答速度を１／ｎにすることが出来る。
【００３０】
データ処理手段１６には、アレイ型ＡＰＤ光子検出器１４の複数のＡＰＤ１４−１〜１４−ｎの出力が入力されており、データ処理手段１６は複数のＡＰＤ１４−１〜１４−ｎから出力される光子検出信号の時系列的な順番を保ちつつ、これを時系列的なシリアル信号に変換するなどのデータ処理を行って出力する。
【００３１】
かかる構成によれば、一定の時間間隔Ｔの一定間隔で飛来する入射光子パルス列１１は、光偏向器１２に入射される。なお、入射光子パルス列１１は、パルス列の飛来周期が同期信号（クロック信号）と同期していれば良く、光強度が非常に微弱なときは、各パルス列には必ずしも光子が含まれていなくてもよい。すなわち光子は、時間Ｔの任意の整数倍の間隔でさえあれば、歯抜けの状態でランダムに飛来してもよい。
【００３２】
光偏向器１２に入射された入射光子パルス列１１の１つ目の入射光子は、光偏向器１２によって偏向され、アレイ型ＡＰＤ光子検出器１４の複数のＡＰＤ１４−１〜１４−ｎの何れか一つ（例えば１番目のＡＰＤ１４−１）に入射される。この入射時点において、全てのＡＰＤ１４−１〜１４−ｎには、バイアス印加手段１５からゲートパルス（逆バイアス電圧）が印加されており、これにより１つ目の光子が入射された一つのＡＰＤの出力には、アバランシェ効果により信号パルスが発生する。光子が入射されなかった他のＡＰＤの出力には信号パルスは発生しない。
【００３３】
ここで、入射光子パルスは、一定の時間間隔Ｔで光偏向器１２に入射されるが、１つ目の光子が入射されたＡＰＤに次の光子が入射されるのは、１つ目の光子が入射されてから、入射光子パルス列１１の時間間隔Ｔのｎ倍の時間ｎＴの後である。
【００３４】
光子が入射された１番目のＡＰＤから出力される信号パルスは、データ処理手段１６に入力される。
【００３５】
１つ目の光子が光偏向器１２に入射された後、時間Ｔが経過すると、光偏向器１２に２つ目の光子が入射される。この２つ目の光子は、光偏向器１２によって偏向されて例えば２番目のＡＰＤ１４−２に入射される。これにより、前記と同様にして、２番目のＡＰＤ１４−２の出力には、信号パルスが発生する。光子が入射された２番目のＡＰＤから出力される信号パルスは、データ処理手段１６に入力される。なお、前述したように、２つ目の光子が入射されたＡＰＤに次の光子が入射されるのは、２つ目の光子が入射されてから時間ｎＴの後である。
【００３６】
このような動作が、入射光子パルスが時間間隔Ｔをもって光偏向器１２に入射される度に繰り返し実行される。データ処理手段１６においては、複数のＡＰＤ１４−１〜１４−ｎから出力される光子検出信号を時系列的なシリアル信号に変換した後、出力する。
【００３７】
このような構成により、例えばアレイ型ＡＰＤ光子検出器１４内にｎ個のＡＰＤ１４−１〜１４−ｎが配置されている場合には、理想的には各光子検出素子（ＡＰＤ）の見かけ上の応答速度をｎ倍にすることが可能である。
【００３８】
このように実施の形態１においては、アレイ型ＡＰＤ光子検出器１４内に複数のＡＰＤ１４−１〜１４−ｎを設け、これら複数のＡＰＤ１４−１〜１４−ｎ上を順次掃引するように光偏向器１２によって入射光子パルス列１１を偏向するようにしたので、各ＡＰＤ１４−１〜１４−ｎに印加するゲートパルス（逆バイアス電圧）の間隔は、入射光子パルス列１１の時間間隔Ｔのｎ倍の時間ｎＴで済むようになる。したがって、実施の形態１においては、各光子検出素子（ＡＰＤ）１４−１〜１４−ｎの見かけ上の応答速度をｎ倍に高速化することが可能となり、低速な光子検出素子を用いた際でも、高速に光子検出を行うことができる。
【００３９】
実施の形態２．
つぎに、図４を用いてこの発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２においては、実施の形態１の光子検出装置を量子暗号通信における量子暗号受信装置に適用している。
【００４０】
図４に示す量子暗号通信システムは、量子暗号送信装置５１と、量子暗号受信装置５６とを備えている。量子暗号送信装置５１は、量子暗号プロトコルに従って信号光子を変調する量子暗号変調器５２、信号光子よりも光強度の強いクロック信号光と信号光子を合波する合波器（図示せず）などを備えている。
【００４１】
量子暗号受信装置５６は、伝送路５３を介して受信した受信信号を復調する量子暗号復調器５４と、受信信号からクロック信号を抽出するクロック抽出手段５５と、実施の形態１の光子検出装置２０とを備えている。光子検出装置２０は、実施の形態１で説明したものと同様の、光偏向器１２、光偏向器駆動手段１３、アレイ型ＡＰＤ光子検出器１４、バイアス印加手段１５およびデータ処理手段１６を有している。
【００４２】
このような量子暗号通信システムにおいては、量子暗号送信装置５１の量子暗号変調器５２で量子暗号プロトコルに従って変調された信号光子は、クロック信号光と合波された後、伝送路５３を通じて、量子暗号受信装置５６に入射される。
【００４３】
量子暗号受信装置５６の量子暗号復調器５４に入射された信号光子は、量子暗号復調器５４で復調された後、光偏向器１２に入射される。また、クロック抽出手段５５には、量子暗号復調器５４で信号光子と分波されたクロック信号光が入射され、このクロック信号光から同期をとるためのクロック信号（同期信号）が抽出される。
【００４４】
クロック抽出手段５５で抽出された同期信号は、実施の形態１と同様、光偏向器駆動手段１３およびバイアス印加手段１５に入力される。光偏向器駆動手段１３およびバイアス印加手段１５は実施の形態１と同様に動作する。また、光偏向器１２に入射された信号光子は、光偏向器１２で偏向された後、複数のＡＰＤ１４−１〜１４−ｎが並設されたアレイ型ＡＰＤ光子検出器１４に入射される。アレイ型ＡＰＤ光子検出器１４の検出信号は、データ処理手段１６で時系列信号に変換されてデータ処理手段１６から出力される。
【００４５】
なお、量子暗号復調器５４で復調された信号光子が複数の径路に分岐されることがあるが、そのような場合は、光子検出装置２０をそれぞれの径路に１式づつ設置すればよい。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、複数光子検出素子を順次掃引するように光偏向器によって入射光子パルス列を偏向するようにしたので、各光子検出素子の見かけ上の応答速度を高速化することが可能となり、低速な光子検出素子を用いた際でも、高速に光子検出を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１の光子検出装置の構成図である。
【図２】バイアス印加手段から出力されるゲートパルスのタイムチャートを示す図である。
【図３】ゲートパルス列の電圧とＡＰＤ電流との関係を示す図である。
【図４】この発明を量子暗号通信装置に適用した実施の形態２の構成を示す図である。
【図５】光子検出とアフターパルス計数率とゲートパルスとの関係を示す図である。
【図６】ＡＰＤ光子検出器のアフターパルス計数率の時間変化を示す図である。
【符号の説明】
１１入射光子パルス列、１２光偏向器、１３偏向器駆動手段、１４アレイ型光子検出器、１４−１〜１４−ｎ光子検出器、１５バイアス印加手段、１６データ処理手段、５１量子暗号送信装置、５２量子暗号変調器、５３伝送路、５４量子暗号復調器、５５クロック抽出手段、５６量子暗号受信装置。

Claims

入射光を偏向する光偏向器と、
光子を検出する複数の光子検出素子を有する光子検出器と、
前記光偏向器の出力光が前記複数の光子検出素子上を掃引するように、前記光偏向器を駆動する光偏向器駆動手段と、
前記光偏向器の出力光が前記各光子検出素子に入射されるタイミングに合うように各光子検出素子にバイアス電圧としてのゲートパルスを印加するバイアス印加手段と、
前記複数の光子検出素子からの検出信号を時系列信号に変換するデータ処理手段と、
を備えたことを特徴とする光子検出装置。
前記光子検出器は、前記複数の光子検出素子が列状に並べられていることを特徴とする請求項１に記載の光子検出装置。
前記複数の光子検出素子は、アバランシェ・フォトダイオードであることを特徴とする請求項１または２に記載の光子検出装置。
前記光偏向器は、音響光学素子からなることを特徴とする請求項１〜３の何れか一つに記載の光子検出装置。
前記光偏向器は、電気光学結晶からなることを特徴とする請求項１〜３の何れか一つに記載の光子検出装置。
前記光偏向器は、反射鏡からなることを特徴とする請求項１〜３の何れか一つに記載の光子検出装置。