KR101331790B1 - 광자 검출 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

광자 검출 장치는 입력된 주기 신호와 입사된 광자에 의한 신호에 따라 전기 신호를 출력하는 광자 검출 소자; 상기 광자 검출 소자로부터 출력된 전기 신호를 적분하는 적분기; 및 상기 적분기로부터 출력된 적분 신호의 크기를 구분하는 신호를 출력하는 비교기를 포함하여, 약한 애벌런치 신호가 발생하여도, 광자를 검출할 수 있다.

Description

광자 검출 장치 및 방법{Apparatus and method for photon detection}

광자를 검출하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

단일 광자 검출 장치는 양자 암호 시스템, 광 네트워크 검사 장비 또는 반도체 디바이스 분석 등의 많은 분야에서 매우 중요한 구성이다. 광섬유는 1.55μm 파장에서 최소 손실과 낮은 분산을 나타내기 때문에 장거리 통신에 가장 적절한 파장이다. 이러한 1.55μm 파장에서 가장 일반적인 단일 광자 검출 장치는 InGaAs/InP 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche Photodiode)를 기반으로 한다. InGaAs/InP 애벌런치 포토 다이오드는 크기가 소형이고, 구동 전압이 낮다는 등의 장점을 갖는다.

단일 광자를 검출하기 위해서, InGaAs/InP 애벌런치 포토 다이오드는 일반적으로 항복 전압(Breakdown voltage)이상에서 동작하는데 이 mode를 가이거 모드(Geiger mode)라고 한다. 가이거 모드에서 애벌런치 포토 다이오드는 접합(junction)에 큰 역전압이 인가되고 이로 인해 큰 전자장(electric field)이 생성된다. 이때 접합 영역으로 입사된 광자는 전자-정공 쌍을 생성한다. 접합 영역에서 생성된 전자-정공 쌍은 접합 영역에 인가된 강한 전자장에 의해 가속된다. 전자장에 의해 충분한 에너지를 얻은 전자-정공 쌍은 차례로 가속되고 새로운 전자-정공 쌍을 생성하는데, 이러한 현상이 누적적으로 진행하는 것을 애벌런치(avalanche, 전자사태)라고 한다.

애벌런치가 발생하는 동안, 애벌런치 과정에 의해 발생된 몇몇의 캐리어(전자 혹은 전공)들은 애벌런치 포토 다이오드의 Multiplication layer(증폭층)에 존재하는 Defect(결함) 부분에 남아 있게 된다(Trapping). 만약, 남아있던 캐리어가 애벌런치 포토 다이오드가 동작하는 시점에 이동을 시작하게 되면 (De-trapping) , 그것은 새로운 애벌런치를 야기할 수 있다. 이러한 애벌런치 현상을 애프터 펄스(afterpulse)라고 부른다. 이러한 애프터 펄스는 광자 검출시 오류를 일으키는 중요한 원인 중의 하나이다.

광자 검출시 애프터 펄스를 줄이기 위해, 남은 캐리어를 소멸시키기 위한 시간을 충분히 설정하는 방법이 있다. 남은 캐리어를 소멸시키기 위한 시간을 데드 타임(Dead Time)이라고 하는데, 데드 타임이 길수록 남은 캐리어를 소멸시키에는 적절하지만, 광자 검출 시간이 길어지는 단점이 있다.

애프터 펄스 노이즈에 강인한 단일광자 검출 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 광자 검출 장치는 입력된 주기 신호와 입사된 광자에 의한 신호에 따라 전기 신호를 출력하는 광자 검출 소자; 상기 광자 검출 소자로부터 출력된 전기 신호를 적분하는 적분기; 및 상기 적분기로부터 출력된 적분 신호와 임계 전압 크기를 구분하는 신호를 출력하는 비교기를 포함한다.

또한, 본 발명의 일 측면에 따른 광자 검출 방법은 입력된 주기 신호와입사된 광자에 의한 신호에 따라 전기 신호를 출력하는 단계, 상기 전기 신호를 적분하는 단계; 및 상기 적분된 신호와 임계 전압의 크기를 구분하는 신호를 출력하는 단계를 포함한다.

광자 검출 소자로부터 출력되는 전기 신호를 적분하고, 적분된 신호의 크기를 구분함으로써, 광자를 검출할 수 있다. 본 발명에서 제안하는 구조 및 검출 방법은 기존 발명에 비해 현저히 작은 크기의 전기 신호를 검출할 수 있기 때문에 단일 광자에 의해 발생하는 애벌런치 전류의 크기를 줄일 수 있고 이는 트랩된(Trapped) 캐리어(carrier)의 수를 줄일 수 있음을 의미한다. 이는 결과적으로 애프터 펄스 노이즈를 줄일 수 있기 때문에 애프터 펄스 노이즈에 강인한 단일광자 검출 장치를 만들 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 광자 검출 소자의 입출력 신호를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 회로도이다.
도 5는 도 4에 도시된 회로도의 신호를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 순서도이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구성도이다. 도 1을 참조하면, 광자 검출 장치(100)는 광자 검출 소자(110), 적분기(120) 및 비교기(130)를 포함한다. 도 1에 도시된 광자 검출 장치(100)는 본 실시예와 관련된 구성요소들만이 도시되어 있다. 따라서, 도 1에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있음을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다. 예를 들어, 비교기(130)로부터 출력되는 신호를 카운트하여 광자의 수를 세는 카운트가 비교기(130)의 출력 단자에 연결될 수 있다.

광자 검출 장치(100)는 광자의 검출 여부를 결정하기 위한 장치이다. 다시 말해서, 광자 검출 장치(100)는 광자가 입사하면, 입사된 광자에 의해 발생된 전기 신호를 적분하여 광자를 검출 여부를 결정한다. 광자 검출 장치(100)는 애벌런치에 의해 발생된 신호에 의해 달라진 광자 검출 소자(110)의 출력의 적분 신호 크기를 구분하기 위한 임계값을 이용하여 광자의 검출 여부를 결정하기 때문에, 약한 애벌런치가 발생하더라도 광자의 검출 여부를 결정할 수 있다.

광자 검출 소자(110)는 광자가 입사되면 전기 신호를 발생시키는 수광소자이다. 광자 검출 소자(110)는 입력되는 신호에 따라 동작 시간이 결정된다. 다시 말해서, 입력되는 신호가 온-오프(On-Off)를 반복하는 주기 신호의 경우, 광자 검출 소자(110)도 입력된 신호에 따라 동작한다. 광자 검출 소자(110)는 동작 시간 동안에만 입사된 광자에 반응한다. 광자 검출 소자(110)의 동작과 관련하여, 도 3 이하에서 상세히 설명한다.

예를 들어, 광자 검출 소자(110)는 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche Photodiode)일 수 있다. 애벌런치 포토 다이오드에는 게이트 신호가 인가된다. 애벌런치 포토 다이오드에 게이트 신호가 인가되면, 애벌런치 포토 다이오드 고유의 용량성 응답(Capacitive Response)이 발생한다. 일반적으로 애벌런치 포토 다이오드의 용량성 응답 신호는 진동하는 사인파(sine wave) 형태를 갖는다. 따라서, 애벌런치 포토 다이오드에 광자가 입사되어 애벌런치 신호가 발생하면, 애벌런치 포토 다이오드는 용량성 응답과 애벌런치 신호가 합쳐진 전기 신호를 적분기(120)로 출력한다.

적분기(120)는 광자 검출 소자(110)로부터 입력된 전기 신호를 적분하고, 적분 신호를 비교기로 출력한다. 적분기(120)는 애벌런치 신호가 발생하지 않는 경우에는 용량성 응답에 의한 전기 신호만을 적분하고, 애벌런치 신호가 발생한 경우에는 용량성 응답과 애벌런치 신호가 합쳐진 전기 신호를 적분한다. 따라서, 애벌런치 신호의 발생 여부에 따라서, 적분기(120)에서 적분된 적분 신호의 크기는 달라진다. 적분기(120)는 적분 신호를 비교기(130)로 출력한다.

비교기(130)는 적분기(120)로부터 입력된 적분 신호와 임계값을 비교하여, 비교 결과를 출력한다. 임계값은 애벌런치 신호의 발생 여부를 구별하기 위한 값이다. 다시 말해서, 임계값은 애벌런치 신호가 발생한 경우의 적분 신호와 애벌런치 신호가 발생하지 않은 경우의 적분 신호를 구별하기 위한 값이 설정된다. 비교기(130)는 비교 결과를 출력한다. 예를 들어, 비교기(130)는 1 또는 0 을 나타내는 신호를 출력하여, 애벌런치 신호의 발생 여부를 표시할 수 있다. 다시 말해서, 비교기(130)의 출력값에 따라, 광자의 검출 여부가 결정된다.

상기와 같이, 광자 검출 장치(100)는 적분기(120)를 이용하여 광자 검출 소자(110)로부터 출력된 전기 신호를 적분하고, 임계값을 이용하여 적분 신호의 크기를 구별함으로써, 약한 애벌런치가 발생하여도 광자의 검출 여부를 결정할 수 있다. 광자 검출 장치(100)가 광자의 검출 여부를 결정하는 방법에 관하여, 아래에서 상세히 설명하겠다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구성도이다. 도 2를 참조하면, 광자 검출 장치(100)는 합성기(140), 광자 검출 소자(110), 적분기(120) 및 비교기(130)를 포함한다. 도 2는 도 1에 도시된 광자 검출 장치(100)의 일례를 도시한 회로도이다. 도 2를 참조하면, 도 1에 도시된 광자 검출 장치(100)의 구성요소를 회로도로 도시하였다. 따라서, 이하 생략된 내용이라 하더라도 광자 검출 장치(100)에 관하여 이상에서 기술된 내용은 도 2의 실시예에 따른 광자 검출 장치에도 적용된다.

합성기(140)는 게이트 신호(21) 및 직류 바이어스 전압(22)을 합성하여 광자 검출 소자(110)로 합성된 신호를 출력한다. 합성된 신호는 게이트 신호(21)를 직류 바이어스 전압(22)만큼 수직으로 이동시킨 신호일 수 있다. 게이트 신호(21)는 소정의 주기를 갖는 주기 신호이다. 예를 들어, 게이트 신호(21)는 스퀘어 웨이브 신호(square wave signal), 사인 웨이브 신호(sine wave signal) 또는 바이폴라 게이트 신호(bipolar gate signal) 중 어느 하나일 수 있으며, 다른 형태의 신호들도 가능하다. 직류 바이어스 전압(22)는 일정 크기를 갖는 직류 전압이며, 광자 검출 소자(110)의 항복 전압(Breakdown Voltage)보다 낮은 전압일 수 있다. 합성된 신호는 광자 검출 소자(110)의 항복 전압보다 낮은 전압에서 광자 검출 소자(110)의 항복 전압보다 높은 전압으로 변한다. 다시 말해서, 합성된 신호의 최대값은 광자 검출 소자(110)의 항복 전압보다 크고, 합성된 신호의 최소값은 광자 검출 소자(110)의 항복 전압보다 작다. 따라서, 합성된 신호가 광자 검출 소자(110)의 항복 전압보다 큰 전압이 인가되는 시간 동안에, 광자 검출 소자(110)가 동작하여 입사된 광자에 의하여 애벌런치 신호가 발생한다. 이에 반하여, 합성된 신호가 광자 검출 소자(110)의 항복 전압보다 작은 전압이 인가되는 시간 동안에는 광자 검출 소자(110)가 동작하지 않으므로, 광자가 입사되어도 애벌런치 신호가 발생하지 않는다.

광자 검출 소자(110)는 합성기(140)로부터 입력된 신호 또는 입사된 광자에 의한 신호에 따라 전기 신호를 출력한다. 광자 검출 소자(110)는 입사된 광자가 없는 경우에 합성기(140)로부터 입력된 신호에 의한 전기 신호를 출력한다. 다시 말해서, 광자 검출 소자(110)는 용량성 응답만을 출력한다. 또한, 광자 검출 소자(110)는 입사된 광자가 있는 경우에 합성기(140)로부터 입력된 신호 및 입사된 광자에 의한 전기 신호에 의한 전기 신호를 출력한다. 다시 말해서, 광자 검출 소자(110)는 용량성 응답과 애벌런치 신호가 포함된 전기 신호를 출력한다.

적분기(120)는 광자 검출 소자(110)로부터 입력된 전기 신호를 시간에 따라 적분하고, 적분된 신호를 비교기(130)로 출력한다. 따라서, 적분기(120)로부터 출력되는 신호는 입력된 전기 신호에 따라서 그 크기가 달라진다. 예를 들어, 적분기(120)에 입력된 전기 신호가 입사된 광자에 의한 전기 신호를 포함하는 경우에 적분기(120)는 1V 를 출력하고, 적분기(120)에 입력된 전기 신호가 입사된 광자에 의한 전기 신호를 포함하지 않는 경우에 적분기(120)가 3V 를 출력할 수 있다. 적분기(120)로부터 출력되는 신호는 위 예에 한정되지 아니한다.

비교기(130)는 적분기(120)로부터 입력된 신호와 임계값을 비교하고, 비교 결과를 출력한다. 임계값은 적분기(120)로부터 출력되는 전기 신호들을 구분하기 위하여 미리 설정된다. V_REF(26)는 비교기에 입력되는 임계값의 일 예를 나타낸다. 예를 들어, 상기의 경우와 같이 적분기(120)로부터 입력되는 신호가 1V 또는 3V인 경우에, 임계값은 1V와 3V 사이의 값 중 어느 하나의 값으로 설정될 수 있다. 비교기(130)는 적분기(120)로부터 입력된 신호와 임계값을 비교하고, 임계값이 큰 경우에는 1을 나타내는 신호를 출력하고, 임계값이 작은 경우에는 0을 나타내는 신호를 출력한다. 광자 검출 장치(100)는 비교기(130)로부터 출력되는 신호를 통해서, 광자 검출 소자(110)에서 광자가 검출되었는지를 판단할 수 있다. 예를 들어, 비교기(130)로부터 출력된 신호가 1을 나타내는 신호인 경우, 광자 검출 장치(100)는 광자가 검출된 것으로 판단하고, 0을 나타내는 신호인 경우, 광자가 검출되지 않은 것으로 판단할 수 있다. 적분기(120) 또는 임계값 등에 따라서, 광자의 검출을 나타내는 신호는 변경될 수 있음을 당업자라면 이해할 수 있을 것이다.

또한, 도 2의 광자 검출 소자(110)에 포함된 저항(23)은 50Ω, 저항(25)은 50Ω 캐패시터(24)는 5nF의 크기를 일 수 있으나, 이는 일 예에 불과하며, 각 소자의 크기는 이에 한정되지 않는다.

도 3은 도 2에 도시된 광자 검출 소자의 입출력 신호를 나타내는 도면이다. 도 3(a)는 광자 검출 소자(110)의 입력단(S1)에 입력되는 입력 신호(Input Signal)의 일 예를 나타내는 도면이고, 도 3(b)는 광자 검출 소자(110)의 출력단(S2)에서 출력되는 출력 신호(APD Output Signal)의 일 예를 나타내는 도면이다.

도 3(a)를 참조하면, V1은 입력 신호의 최대값을 나타내는 전압값이고, V_BR은 광자 검출 소자(110)의 항복 전압(Breakdown Voltage)를 나타내고, V_DC는 입력 신호의 최소값을 나타낸다. V_DC는 도 2에서 직류 바이어스 전압(22)에 해당하는 전압값이다. 예를 들어, 입력 신호는 일정한 주기를 갖는 신호이고, 일정 시간 동안 V1의 전압을 유지한다.

도 3(b)를 참조하면, 출력 신호는 입력 신호 및 광자에 의한 신호에 따른 파형을 갖는다. 애벌런치 신호가 존재하지 않는 경우(31), 출력 신호는 입력 신호의 에지(edge)에서 증가했다 감소하거나, 감소했다 증가하는 파형을 갖는다. 애벌런치 신호가 존재하는 경우(32), 출력 신호는 애벌런치가 발생하는 순간에 증가하는 파형을 갖는다. 따라서, 애벌런치 신호의 존재 여부에 따라서, 출력 신호의 파형이 달라지고, 서로 다른 형태의 파형의 출력 신호를 적분기(120)에서 적분한 적분 신호도 달라진다. 예를 들어, 애벌런치 신호가 존재하는 경우의 출력 신호를 적분한 값은 애벌런치 신호가 존재하지 않는 경우의 출력 신호를 적분한 값보다 크다. 광자 검출 장치(100)는 서로 다른 적분 신호를 구별하여 애벌런치 신호의 존재 여부, 다시 말해서, 광자의 검출 여부를 결정할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 회로도이다. 도 4를 참조하면, 버퍼(400)는 제1 증폭기(401)를 이용하여 적분 회로에 V_{APD _ out}을 적분 회로(410)로 제공한다. 적분 회로(410)는 입력된 V_{APD _ out}을 적분하여 비교 회로(420)로 출력한다. 비교 회로(420)는 적분 회로(410)로부터 입력된 신호와 임계값을 비교한 결과를 출력한다. 각 회로들의 기능을 상세히 설명한다. 도 4는 도 1에 도시된 광자 검출 장치(100)의 일례를 도시한 회로도이다. 도 4를 참조하면, 도 1에 도시된 광자 검출 장치(100)의 구성요소를 회로도로 도시하였다. 따라서, 이하 생략된 내용이라 하더라도 광자 검출 장치(100)에 관하여 이상에서 기술된 내용은 도 4의 실시예에 따른 광자 검출 장치에도 적용된다.

버퍼(400)는 입력 신호인 V_{APD _ out}을 적분 회로(410)로 제공한다. 예를 들어, V_{APD_out}은 도 3(b)의 출력 신호일 수 있다. 버퍼(400)는 제1 증폭기(401)의 (+) 단자를 통하여 입력된 V_{APD _ out}을 (-) 단자를 통하여 출력한다.

적분 회로(410)는 제1 스위치(411), 제2 스위치(412), 캐패시터(413) 및 제2 증폭기(414)를 포함한다. 제1 스위치(411)는 적분 회로(410)가 적분하는 주기 및 적분 시간을 제어한다. 다시 말해서, 적분 회로(410)는 제1 스위치(411)가 닫힌 경우에만 입력 신호인 V_{APD _ out}을 입력 받기 때문에, 제1 스위치(411)는 적분 회로(410)가 적분하는 주기 및 시간을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제1 스위치(411)가 열리고 닫히는 주기는 도 3(a)의 입력 신호(S1)의 주기와 동일하고, 제1 스위치(411)가 닫혀 있는 시간은 도 3(a)의 입력 신호(S1)의 V1이 유지되는 시간과 동일할 수 있다. 제2 스위치(412)는 적분기(120)에 누적된 전기 신호를 제거한다. 제2 스위치(412)는 캐패시터(413)와 병렬로 연결된다. 제2 스위치(412)가 닫히면, 캐패시터(413)에 축적된 전하가 제거된다. 따라서, 제2 스위치(412)는 적분 회로(410)가 입력 신호를 적분하기 전에 닫혔다 열림으로써 이전의 입력 신호를 제거하고, 새로 입력된 입력 신호만을 적분할 수 있도록 동작한다. 캐패시터(413)는 적분 회로(410)로 입력되는 전하를 축적한다. 제2 증폭기(414)는 (+) 단자에 V_REF1을 입력 받아, (-) 단자의 전압(V_{int _ in})을 V_REF1로 유지한다. 적분 회로(410)의 출력 전압(V_{int_out})은 V_{int _ in}에 캐패시터(413)에 축적된 전압이 더해진 전압을 나타낸다.

비교 회로(420)는 제3 스위치(421), 제4 스위치(422) 및 제3 증폭기(423)를 포함한다. 제3 스위치(421)는 비교 회로(420)에 V_{int _ out}이 입력되는 것을 제어한다. 제3 스위치(421)가 닫히면, V_{int _ out}이 비교 회로(420)에 입력되어 V_REF2와 비교된다. 제4 스위치(422)는 비교 회로(420)에 V_DD가 입력되는 것을 제어한다. 제4 스위치(422)가 닫히면, V_DD가 비교 회로(420)에 입력되어 V_REF2와 비교된다. 따라서, 제3 스위치(421)와 제4 스위치(422)는 동시에 닫히지 않는다. 제3 스위치(421)가 닫히면, 제4 스위치(422)는 열리고, 제3 스위치(421)가 열리면, 제4 스위치(422)는 닫힌다. 따라서, 비교 회로(420)가 V_REF2와 V_{int _ out}를 비교하거나, V_REF2와 V_DD를 비교할 수 있도록 제3 및 4 스위치(421, 422)가 제어된다.

도 5는 도 4에 도시된 회로도의 신호를 나타내는 도면이다. 제1 스위치(411)는 주기적으로 스위치가 닫힌다. 예를 들어, 제1 스위치(411)의 주기는 광자 검출 소자(110)에 입력되는 신호의 주기와 동일할 수 있다. 또한, 제1 스위치(411)가 닫혀있는 시간도 광자 검출 소자(110)가 동작하는 시간과 동일할 수 있다.

V_{APD _ out}은 광자 검출 소자(110)의 출력 신호로써, 애벌런치 신호의 발생 여부에 따라서 서로 다른 형태의 파형을 갖는다. 예를 들어, 도 5에서와 같이, 애벌런치 신호가 발생하지 않는 경우에 V_{APD _ out}은 진동하는 사인파 형태일 수 있다. 이에 반하여 애벌런치 신호가 발생한 경우에는 사인파에 애벌런치 신호가 더해져 도 5의 V_{APD_out}의 신호의 첫 번째 검출 신호와 같은 형태일 수 있다. 도 5의 V_{APD _ out}의 형태는 발명의 이해를 돕기 위해 표현한 것이며, V_{APD _ out}의 파형은 도 5와 같은 파형에 한정되지 않는다.

V_{APD _ out}은 소정의 주기마다 소정의 시간 동안만 존재한다. 예를 들어, V_{APD _ out}은 광자 검출 소자(110)가 동작하는 동안에만 존재할 수 있다. 또한, V_{APD _ out}은 소정의 주기마다 존재하는데V_{APD _ out}의 주기와 존재하는 시간은 도 2의 게이트 신호(21)에 의존하여 결정될 수 있다.

제1 스위치(411)은 적분기 (120) 가 적분 동작을 수행하는 시간을 제어한다. 즉, 제1 스위치(411)가 닫혀 있는 시간 동안만 적분기는 적분 동작을 수행한다.

제2 스위치(412)는 적분기(120)에 저장된 신호를 리셋(reset)한다. 제2 스위치(412)는 적분기(120)가 적분을 수행하기 전에 동작하여 적분기(120)가 리셋된 이후에 입력된 신호만을 적분할 수 있도록 한다.

V_{int _ in}은 V_REF1을 유지한다. 따라서, V_{int _ out}은 V_{int _ in}를 기준으로 V_{APD _ out}을 적분한 값을 갖는다. V_{int _ in}의 값은 V_DD보다 작은 값으로 설정될 수 있다.

V_{int _ out}은 V_{int _ in}를 기준으로 V_{APD _ out}을 적분한 값을 나타낸다. 다시 말해서, V_{int_out}은 V_{int _ in}의 값에 V_{APD _ out}을 적분한 값을 더한 값을 갖는다. 도 5에 도시된 V_{int_out}을 시간에 따라 설명한다. 먼저, V_{int _ out}은 V_{APD _ out}이 없을 때는 V_REF1을 유지한다. 첫번째 입력된 V_{APD _ out}은 애벌런치 신호가 발생한 경우이다. 첫번째 V_{APD _ out}이 입력되면, 적분 회로(410)가 V_{APD _ out}을 적분한 값만큼 V_{int _ out}이 감소하여 V_avalanche가 된다. V_{int _ out}은 제2 스위치(412)에 의해 리셋되기 전까지 V_avalanche을 유지하고, 제2 스위치(412)에 의해 리셋되면, 다시 V_REF1이 된다. V_{int _ out}이 V_avalanche에서 V_REF1이 될 때, 약간의 시간 지연이 발생할 수 있다. 두번째 입력된 V_{APD _ out}은 애벌런치 신호가 발생하지 않은 경우이다. 두번째 V_{APD _ out}이 입력되면, 적분 회로(410)가 V_{APD _ out}을 적분한 값만큼 V_{int _ out}이 증감한다. 도 5에서는 V_{int _ out}이 증감하여 V_REF1이 된 경우를 예를 들어 설명하였지만, V_{APD _ out}에 따라서 V_{int _ out}은 V_REF1보다 크거나 작을 수 있다. 일반적으로 애벌런치 신호가 없는 경우, 애벌런치 포토 다이오드의 용량성 응답인 V_{APD _ out}은 증감하는 사인파 형태라고 할 때, V_{int _ out}은 V_avalanche보다 V_REF1에 더 근접한 값을 갖는다.

제3 스위치(421)는 적분 회로(410)의 적분이 종료된 이후에 일정 시간 동안 닫혀 비교 회로(420)에 V_{int _ out}이 입력될 수 있도록 제어된다. 제4 스위치(422)는 적분 회로(410)의 적분이 종료된 이후에 일정 시간 동안 열린다. 제3 스위치(421)는 제4 스위치(422)와 반대로 동작한다.

V_{comp _ in}은 비교 회로(420)에 입력되는 전압을 나타낸다. V_{comp _ in}은 제3 스위치(421)가 열린 상태에서는 제4 스위치(422)가 닫힌 상태이므로, V_DD를 유지한다. V_{comp_in}은 제3 스위치(421)가 닫힌 상태에서는 제4 스위치(422)가 열리고, V_{int _ out}과 동일한 전압을 나타낸다.

V_{comp _ out}은 비교 회로(420)에 출력되는 전압을 나타낸다. V_{comp _ out}은 V_{comp _ in}과 V_REF2를 비교하여 그 결과를 출력한다. 예를 들어, 애벌런치 신호가 입력된 경우에, V_REF2가 V_{comp _ in}보다 크게 되고, V_{comp _ out}은 일정한 전압을 출력하여 광자가 검출되었음을 나타낸다. 이와 반대로, 애벌런치 신호가 입력되지 않은 경우에, V_REF2가 V_{comp _ in}보다 작게 되고, V_{comp _ out}은 전압을 출력하지 않는다.

도 5에서와 같이, V_REF1은 V_DD보다 작은 값으로 설정되고, V_REF2은 V_REF1과 V_avalanche사이의 크기를 갖도록 설정된다. 따라서, 광자 검출 장치(100)는 V_{comp _ in}과 V_REF2의 크기를 비교하여 광자의 검출 여부를 결정할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 순서도이다. 도 6은 도 1에 도시된 광자 검출 장치(100)가 광자를 검출하는 방법을 나타낸 순서도이다. 따라서, 이하 생략된 내용이라 하더라도 광자 검출 장치(100)에 관하여 이상에서 기술된 내용은 도 6의 실시예에 따른 광자 검출 방법에도 적용된다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광자를 검출하는 방법의 흐름도이다. 도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 광자를 검출하는 방법은 도 1에 도시된 광자 검출 장치(100)에서 시계열적으로 처리되는 단계들로 구성된다. 따라서, 이하 생략된 내용이라 하더라도 광자 검출 장치(100)에 관하여 이상에서 기술된 내용은 본 실시예에 따른 광자를 검출하는 방법에도 적용된다. 광자 검출 장치(100)에서 적분기(120)를 이용한 광자를 검출하는 방법은 다음과 같은 단계들로 구성된다.

광자 검출 장치(100)는 입력된 주기 신호와 입사된 광자에 의한 신호에 따라 전기 신호를 출력하고, 주기 신호에 따라 출력된 전기 신호를 적분하고, 적분된 신호의 크기를 구분하는 신호를 출력하는 단계를 포함한다.

광자 검출 장치(100)는 주기 신호의 주기마다 소정의 시간 동안 상기 전기 신호를 적분한다. 다시 말해서, 광자 검출 장치(100)는 정해진 주기마다 전기 신호를 적분하고, 미리 정해진 시간 동안만 적분한다. 주기 신호는 게이트 신호와 직류 바이어스 전압을 합성한 신호이다. 예를 들어, 게이트 신호는 일정한 주기를 갖는 펄스 신호일 수 있다. 직류 바이어스 전압은 일정한 크기의 전압을 갖는 직류 전압이다. 소정의 시간은 주기 신호에 따라 결정된다. 광자 검출 장치(100)는 소정의 제1 기준값에 전기 신호를 적분한 값을 더하여 적분 신호를 출력하고, 적분 신호의 크기를 구별하기 위해 설정된 제2 기준값과 적분 신호를 비교한 결과를 출력한다. 이때, 제2 기준값은 제1 기준값과 광자가 입사했을 때의 적분 신호의 사이의 값으로 설정된다. 따라서, 광자 검출 장치(100)는 적분 신호와 제2 기준값을 비교하여 적분 신호가 큰 경우와 작은 경우에 따라 서로 다른 신호를 출력함으로써, 광자의 검출 여부를 나타낸다. 직류 바이어스 전압은 상기 주기 신호의 최소값이 상기 광자 검출 소자의 항복 전압보다 작고, 상기 주기 신호의 최대값이 항복 전압보다 큰 값을 갖도록 설정된다.

상기와 같이, 광자 검출 장치(100)는 적분기(120)를 이용하여, 광자 검출 소자(110)의 용량성 응답의 진폭보다 작은 크기의 진폭을 갖는 애벌런치 신호를 검출할 수 있다. 다시 말해서, 광자 검출 장치(100)는 용량성 응답과 함께 발생한 애벌런치 신호를 적분기(120)를 이용하여 적분하고, 적분 신호를 미리 정해진 임계값과 비교하는 과정을 통하여, 애벌런치 신호가 발생하였는지 판단하여 광자의 검출 여부를 결정할 수 있다.

100: 광자 검출 장치
110: 광자 검출 소자
120: 적분기
130: 비교기
140: 합성기

Claims (15)

1. 입력된 주기 신호와 입사된 광자에 의한 신호에 따라 전기 신호를 출력하는 광자 검출 소자;
   상기 광자 검출 소자로부터 출력된 전기 신호를 적분하는 적분기; 및
   상기 적분기로부터 출력된 적분 신호의 크기를 구분하는 신호를 출력하는 비교기를 포함하고,
   상기 적분기는 상기 주기 신호의 주기마다 소정의 시간 동안 상기 전기 신호를 적분하는 광자 검출 장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 소정의 시간은 상기 광자 검출 소자에 입력되는 상기 주기 신호에 따라 결정되는 광자 검출 장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 적분기는 소정의 제1 기준값에 상기 광자 검출 소자로부터 출력된 전기 신호를 적분한 값을 더한 적분 신호를 출력하고,
   상기 비교기는 상기 적분 신호의 크기를 구별하기 위해 설정된 제2 기준값과 상기 적분 신호를 비교한 비교 결과를 출력하는 광자 검출 장치.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 제2 기준값은 상기 제1 기준값과 광자가 입사했을 때 상기 적분기로부터 출력되는 적분 신호의 사이의 값으로 설정되는 광자 검출 장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   게이트 신호를 출력하는 신호 생성기를 더 포함하고,
   상기 주기 신호는 게이트 신호와 직류 바이어스 전압을 합성한 신호인 광자 검출 장치.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 직류 바이어스 전압은 상기 주기 신호의 최소값이 상기 광자 검출 소자의 항복 전압보다 작고, 상기 주기 신호의 최대값이 항복 전압보다 큰 값을 갖도록 설정되는 광자 검출 장치.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 광자 검출 소자는 애벌런치 포토 다이오드인 광자 검출 장치.
9. 입력된 주기 신호와 입사된 광자에 의한 신호에 따라 전기 신호를 출력하는 단계;
   상기 전기 신호를 적분하는 단계; 및
   상기 적분된 신호의 크기를 구분하는 신호를 출력하는 단계를 포함하고,
   상기 적분하는 단계는 상기 주기 신호의 주기마다 소정의 시간 동안 상기 전기 신호를 적분하는 광자 검출 방법.
10. 삭제
11. 제 9 항에 있어서,
    상기 소정의 시간은 상기 주기 신호에 따라 결정되는 광자 검출 방법.
12. 제 9 항에 있어서,
    상기 적분하는 단계는 소정의 제1 기준값에 상기 전기 신호를 적분한 값을 더하여 적분 신호를 출력하고,
    상기 적분된 신호의 크기를 구분하는 신호를 출력하는 단계는 상기 적분 신호의 크기를 구별하기 위해 설정된 제2기준값과 상기 적분 신호를 비교한 결과를 출력하는 광자 검출 방법.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제2 기준값은 상기 제1 기준값과 광자가 입사했을 때 상기 적분 신호의 사이의 값으로 설정되는 광자 검출 방법.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 주기 신호는 게이트 신호와 직류 바이어스 전압을 합성한 신호인 광자 검출 방법.
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 직류 바이어스 전압은 상기 주기 신호의 최소값이 상기 광자 검출 소자의 항복 전압보다 작고, 상기 주기 신호의 최대값이 항복 전압보다 큰 값을 갖도록 설정되는 광자 검출 방법.
    

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