位相調整機能を有する光子検出器および光子検出方法
【課題】サンプリングクロックがジッタを持っていても、精度の良い識別が可能な光子検出回路および光子検出方法を提供する。
【解決手段】受光素子１０に所定周期でゲートパルスＳ２０を印加することにより光子検出を行う光子検出回路であって、受光素子１０１の所定周期単位のサンプル波形データＳ２２を平均することで平均波形データＳ２３を生成するゲート周期平均化部１３と、平均波形データＳ２３と受光素子から出力されたサンプル波形データＳ２２との位相差Ｓ２４をなくすように平均波形データＳ２３およびサンプル波形データＳ２２の少なくとも一方の位相をシフトさせる位相シフト部１５と、位相調整された平均波形データＳ２３ｃに対するサンプル波形データＳ２２ｃから光子検出の識別を行う識別部１６と、を有する。
【解決手段】受光素子１０に所定周期でゲートパルスＳ２０を印加することにより光子検出を行う光子検出回路であって、受光素子１０１の所定周期単位のサンプル波形データＳ２２を平均することで平均波形データＳ２３を生成するゲート周期平均化部１３と、平均波形データＳ２３と受光素子から出力されたサンプル波形データＳ２２との位相差Ｓ２４をなくすように平均波形データＳ２３およびサンプル波形データＳ２２の少なくとも一方の位相をシフトさせる位相シフト部１５と、位相調整された平均波形データＳ２３ｃに対するサンプル波形データＳ２２ｃから光子検出の識別を行う識別部１６と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アバランシェ・フォトダイオード（Avalanche photodiode）等の単一光子検出可能な受光素子をゲートモードで駆動する光子検出回路に係り、特に受光素子の出力信号をサンプリングにより離散的なデータとして処理する光子検出回路および光子検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光子受信器において、単一光子を検出する素子としては、一般にアバランシェ・フォトダイオード（以下、ＡＰＤと記す。）が用いられている。基本的には、ＡＰＤのブレークダウン電圧(ＶＢｄ)以上の逆バイアス電圧をＡＰＤに印加することでＡＰＤの増倍率を極めて大きくしておき、光子１個から生成する光電流を十分に大きな信号振幅まで増幅することで外部回路による処理を可能にしている。
【０００３】
光ファイバを用いた長距離単一光子伝送を行う為には、1.55um帯に感度を持つ化合物系のＡＰＤが光子検出素子として最適である。非特許文献１に記載されるように、化合物ＡＰＤを用いた単一光子検出器では、ＡＰＤ素子の冷却とゲートモードの適用が必須である。ゲートモードで駆動されたＡＰＤから出力される光子検出信号は、ゲートパルスの微分波形に光子検出信号波形が重畳されて出力される。この微分波形はＡＰＤのＰＮジャンクションの寄生容量に起因することから、チャージパルスとも呼ばれる。
【０００４】
チャージパルスは、回路帯域の上昇に連れて大きな振幅として観測されるために、小振幅の光子検出信号の検出を阻害する。この問題を解決するための高精度なチャージパルス補償方式が非特許文献２〜４に提案されており、高感度な光子検出が実現可能になった。
【０００５】
更に、非特許文献５および特許文献１には、上述したチャージパルス補償回路において、素子の個体差に起因したチャージパルス補償誤差の問題が存在する事を指摘し、その解決方法を提案している。
【０００６】
非特許文献２〜４で提案された手法では、ＡＰＤ出力信号をアナログ信号としてチャージパルス補償を行い信号の識別を行っている。それに対して、非特許文献５および特許文献１に記載の手法では、ＡＰＤ出力波形を高速のアナログ−デジタル（ＡＤ）コンバータを用いてサンプリングを行い、デジタル信号処理によりチャージパルス補償と信号識別とを実行する（以下、この方式をＡＤＣ方式と呼ぶ）。アナログ処理による方式ではＡＰＤの種類や個体差に合わせて補償信号の生成回路や遅延調節の必要があったのに対して、ＡＤＣ方式では、補償波形を過去のＡＰＤ出力波形を用いて生成しているので、個別調整が不要となり量産性に優れている事が特徴である。以下、非特許文献５および特許文献１に記載されたＡＤＣ方式の光子検出回路について簡単に説明する。
【０００７】
図９（Ａ）はデジタル信号処理によりチャージパルス補償と信号識別とを実行する光子検出回路の概念的な構成図であり、図９（Ｂ）はそのゲートパルスおよびＡＰＤ出力信号の一例を示す波形図である。ＡＰＤ１には、直流バイアス電圧に重畳してゲート生成回路２から周期的なゲートパルスＳ１が印加される（図９（Ｂ））。これによってＡＰＤ１からゲートパルスＳ１の微分波形を含む出力信号Ｓ２が出力される（図９（Ｂ））。ここでは、（Ｎ＋１）回目のゲートパルス印加時に光子が入射し、これによって、ゲートパルスＳ１の微分波形に光子に起因する受光成分が重畳されたＡＰＤ出力Ｓ２の波形が例示されている。
【０００８】
ＡＰＤ出力Ｓ２は、サンプリング回路３によってサンプリングクロックに従ってサンプリングされ、サンプリングされた離散的データＳ３（以下、サンプル波形という。）としてゲート周期波形平均化部４へ出力される。ゲート周期波形平均化部４は、ゲート周期ごとのサンプル波形Ｓ３が平均化され、その平均波形Ｓ４が識別部５へ出力される。光子の到達率が低い場合には、平均波形Ｓ４は実質的に微分波形に近い波形となる。したがって、識別部５は平均波形Ｓ４に対するサンプル波形Ｓ３の差分を識別することで、チャージパルス補償された光子検出信号Ｓ４を出力する。
【０００９】
【非特許文献１】B.F.Levine, C.G.Bethea and J.C.Campbell,“Nearroom temperature 1.3um single photon counting with a InGaAsavalanche photodiode”, Electronics Letters, vol.20 No.14, 1964, pp596
【非特許文献２】Donald S Bethune, William P. Risk, Gary W. Pabst, “A high-performance integrated single-photon detector for telecom wavelengths,” Journal of Modern Optics, Vol. 51, No. 9-10 / 15 June-10 July 2004, pp. 1359-1368
【非特許文献３】GREGOIRE RIBORDY, NICOLAS GISIN, OLIVIER GUINNARD, DAMIEN STUCKI, MARK WEGMULLER and HUGO ZBINDEN “Photon counting at telecom wavelengths with commercial InGaAs/InPavalanche photodiodes: current performance,”Journalof modern optics, 15 june - 10 july2004、vol. 51, no. 9-10, pp. 1381-1398
【非特許文献４】Akio Yoshizawa, Ryosaku Kaji, and Hidemi Tsuchida, “Gated-mode single-photon detection at 1550 nm by discharge pulse counting,”APPLIEDPHYSICS LETTERS, VOLUME 84, NUMBER 18 3 MAY 2004, pp. 3606-3608
【非特許文献５】SeigoTakahashi, Akio Tajima, Akihisa Tomita (NEC, JST), “High-efficiency single photon detector combined with an ultra-small APD module and a self-training discriminator for high-speed quantum cryptosystems,” The 13th Microoptics conference (MOC'07) technical digest, Oct 28, 2007, Post deadline papers, PD1
【特許文献１】特開２００６−２８４２０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、ＡＰＤ出力をサンプリングして離散的なデータとして処理する場合、サンプリングクロックが持つジッタ等の原因によりサンプル波形Ｓ３の誤差が拡大し、識別の精度が劣化する場合がある。すなわち、チャージパルス領域の信号の時間変化率が非常に大きいので、サンプリングポイントの変化に対して、サンプリングされる信号レベルが大きく変化する。つまり、サンプリングクロックがジッタを持つ場合、チャージパルス領域のサンプリング結果は、本来は一定である事が期待されるにも拘わらず大きな揺らぎを持つ。この事はＡＤＣ方式の特徴である、
このようなサンプル波形Ｓ３の揺らぎは、平均波形Ｓ４から差分により光子検出の識別を行う識別部５にとっては誤差の拡大を意味する。つまり、システムの持つ最大のジッタのズレ量のクロックでサンプリングされたＡＰＤ出力Ｓ２は平均波形Ｓ４とは異なるレベルとなり、サンプル波形Ｓ３と平均波形Ｓ４との比較により信号識別を行うと、ジッタによる波形の差を誤識別する可能性がある。この誤識別によるエラーを低減する為には、識別の閾値を高くする必要があるが、このことは小信号の検出漏れによる光子検出効率の低下に招来する。以下、サンプリングジッタの影響について具体的に説明する。
【００１１】
図１０（Ａ）はサンプリングポイントとＡＰＤ出力Ｓ２の波形とを示す図であり、図１０（Ｂ）はサンプリングジッタに起因するサンプル波形と平均波形との波形のズレを示す図である。図１０（Ａ）に示すように、ＡＰＤ出力波形Ｓ２に対して、サンプリングポイントがＡおよびＢのようにずれた場合、特にサンプル波形Ｓ３のレベルが非常に大きく時間変化する部分では信号レベルが大きく変化することが分かる。
【００１２】
図１０（Ｂ）に示すように、白丸で示す平均波形Ｓ４に対して、サンプル波形Ｓ３のサンプリングポイントがずれて黒丸で示す波形Ｓ３となった場合、光子検出を識別する識別窓での信号レベルが変動する。このためにサンプル波形Ｓ３と平均波形Ｓ４との比較により信号識別を行うと、ジッタによる波形の差を誤識別する可能性がある。
【００１３】
そこで、本発明の目的は、サンプリングクロックがジッタを持っていても、精度の良い識別が可能な光子検出回路および光子検出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明による光子検出回路は、受光素子に所定周期でゲートパルスを印加することにより光子検出を行う光子検出回路であって、前記受光素子の前記所定周期単位のサンプル波形データを平均することで平均波形データを生成するゲート周期平均化手段と、前記平均波形データと前記受光素子から出力されたサンプル波形データとの位相差をなくすように、前記平均波形データおよび前記出力されたサンプル波形データの少なくとも一方の位相を調整する位相調整手段と、位相調整された前記平均波形データに対する前記出力されたサンプル波形データから光子検出の識別を行う識別手段と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、サンプリングクロックがジッタを持っていても、光子検出の精度の良い識別が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
１．一実施形態
図１は本発明の一実施形態による光子検出回路の概略的な構成を示すブロック図である。ここでは、ゲートパルス駆動によって光子検出可能な受光素子としてアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）を用いた光子検出回路を例示する。
【００１７】
ＡＰＤ１０にはゲート生成回路１１からゲートパルスＳ２０が所定周期（ゲート周期）で印加される。ゲート生成回路１１はゲートクロックＣＬＫｇに従ってゲートパルスＳ２０をゲート周期で生成する。これによってＡＰＤ１０はゲートパルスＳ２０の微分波形を含むＡＰＤ出力Ｓ２１をゲート周期で出力する。ゲートパルスＳ２０が印加されている期間に光子信号Ｓ１が入射すると、これによって、ゲートパルスＳ２０の微分波形に光子に起因する受光成分が重畳されたＡＰＤ出力Ｓ２１が出力される。
【００１８】
ＡＰＤ出力Ｓ２１は、サンプリング部１２によってサンプリングクロックＣＬＫｓに従ってサンプリングされ、サンプリングされた離散的な時系列データＳ２２（以下、サンプル波形Ｓ２２という。）としてゲート周期波形平均化部１３へ出力される。ゲート周期波形平均化部１３は、ゲートクロックＣＬＫｇおよびサンプリングクロックＣＬＫｓを入力し、ゲート周期ごとのサンプル波形Ｓ２２を各時点で平均化し、その平均化された時系列データＳ２３（以下、平均波形Ｓ２３という。）を位相調整部へ出力する。
【００１９】
位相調整部は位相差検出部１４および位相シフト部１５からなる。位相差検出部１４は、サンプル波形Ｓ２２と平均波形Ｓ２３とを後述する位相比較窓の期間で比較することにより位相差を検出し、その位相差信号Ｓ２４を位相シフト部１５へ出力する。
【００２０】
位相シフト部１５は、位相差をゼロにするように、サンプル波形Ｓ２２あるいは平均波形Ｓ２３を相対的に位相シフトさせ、位相が合致したサンプル波形Ｓ２２ｃおよび平均波形Ｓ２３ｃを識別部１６へ出力する。
【００２１】
識別部１６は、平均波形Ｓ２３ｃに対するサンプル波形Ｓ２２ｃの差分を識別窓の期間で検出し、その差分と所定閾値との比較結果を光子検出信号Ｓ２５として出力する。
【００２２】
上述したように、光子信号Ｓ１の光子到達率が低い場合には、平均波形Ｓ２３は実質的にゲートパルスＳ２０の微分波形に近い波形となる。したがって、識別部１６は平均波形Ｓ２３ｃに対するサンプル波形Ｓ２２ｃの差分からチャージパルス補償された光子検出信号Ｓ２５を得ることができる。
【００２３】
さらに、本実施形態によれば、識別部１６には、位相が合致したサンプル波形Ｓ２２ｃおよび平均波形Ｓ２３ｃが入力するので、サンプリングクロックＣＬＫｓのジッタによりサンプリング部１２でサンプリングポイントのズレが発生しても、正確な光子検出を行うことができる。言い換えれば、サンプル波形Ｓ２２ｃと平均波形Ｓ２３ｃとの比較によりサンプリングクロックＣＬＫｓのジッタを推測し、信号識別の精度劣化を回避することができる。
【００２４】
なお、サンプリング部１２、ゲート周期波形平均化部１３、位相差検出部１４、位相シフト部１５および識別部１６と同等の機能は、プログラムをＣＰＵ等のプログラム制御プロセッサ上で実行することにより実現することもできる。
【００２５】
２．第１実施例
２．１）構成
図２は本発明の第１実施例による光子検出回路の構成を示すブロック図である。ＡＰＤ１０１には直流バイアス電圧に重畳してゲート生成回路１０２からゲートパルスＳ２０が所定周期（ゲート周期）で印加される。ゲート生成回路１０２は、ゲートクロックＣＬＫｇに従って、ＡＰＤ１０１のブレークダウン電圧(ＶＢｄ)以上の逆バイアス電圧（ゲートパルスＳ２０）をゲート周期で生成する。これによってＡＰＤ１０１はゲートパルスＳ２０の微分波形を含むＡＰＤ出力Ｓ２１をゲート周期で出力する。上述したように、ゲートパルスＳ２０が印加されている期間に光子信号Ｓ１が入射すると、ゲートパルスＳ２０の微分波形に光子に起因する受光成分が重畳されたＡＰＤ出力Ｓ２１が出力される。
【００２６】
ＡＰＤ出力Ｓ２１はサンプリング部１０３によってサンプリングクロックＣＬＫｓに従ってサンプリングされ、離散的なサンプル波形Ｓ２２としてゲート周期波形平均化部へ出力される。ゲート周期波形平均化部は、メモリ１０４、波形平均化部１０５およびメモリ制御部１０６からなる。サンプル波形Ｓ２２はメモリ１０４に蓄積され、波形平均化部１０５によって平均波形Ｓ２３が生成される。
【００２７】
具体的には、メモリ制御部１０６のアドレス制御によりサンプル波形Ｓ２２はメモリ１０４に時系列に書き込まれ、波形平均化部１０５はその時系列のサンプル波形Ｓ２２をゲート周期単位で読み出してゲート周期内の各サンプリングポイントでの平均レベルを算出し、ゲート周期における平均波形Ｓ２３を生成する。
【００２８】
こうして生成された平均波形Ｓ２３は位相調整部１０７に入力し、サンプル波形Ｓ２２と位相調整される。位相調整部１０７は、上述した位相差検出部１４および位相シフト部１５により構成することができるが、本実施例では、平均波形Ｓ２３だけを位相シフトさせてサンプル波形Ｓ２２の位相と合致させている。
【００２９】
位相調整された平均波形Ｓ２３ｃは補間部１０８に入力する。補間部１０８は平均波形Ｓ２３ｃから後述する補償平均波形Ｓ３０を生成して識別部１０９へ出力する。識別部１０９は、ゲートクロックＣＬＫｇに従ってサンプル波形Ｓ２２と補償平均波形Ｓ３０を入力し、２つの波形の差分を演算することで光子検出信号の有無を識別し光子検出信号Ｓ３１を生成する。
【００３０】
なお、クロック源１１０およびクロック処理部１１１によってゲートクロックＣＬＫｇおよびサンプリングクロックＣＬＫｓが生成される。ゲートクロックＣＬＫｇはゲート生成部１０２、メモリ制御部１０６および識別部１０９へ出力され、サンプリングクロックＣＬＫｓはサンプリング部１０３およびメモリ制御部１０６に出力される。
【００３１】
２．２）位相調整および補間動作
次に、本実施例による光子検出回路の位相調整部１０７および補間部１０８による補償平均波形Ｓ３０の生成動作について説明する。
【００３２】
図３（Ａ）はサンプリングポイントとＡＰＤ出力Ｓ２１の波形とを示す図であり、図３（Ｂ）はサンプリングジッタ等に起因するサンプル波形と平均波形との波形のズレと位相検出動作を説明するための図であり、図３（Ｃ）は位相調整されたサンプル波形および平均波形と保管された平均波形を示す図である。
【００３３】
ここでは図３（Ａ）に示すＡＰＤ出力波形Ｓ２１に対してサンプリングポイントがずれた場合を考える。この場合、図３（Ｂ）に示すように、白丸で示す平均波形Ｓ２３に対して、サンプル波形Ｓ２２は黒丸で示すように位相がシフトしている。
【００３４】
既に述べたように、ＡＰＤ１０１に光子が入射して電流が流れた場合、識別窓Ｗｄで示した領域に受光成分が出現する。したがって、ゲートパルス立ち上がり部分のチャージパルスでは、サンプル波形Ｓ２２と平均波形Ｓ２３とは本体同じ値を取るべきであるが、サンプリングポイントがずれたことにより、図３（Ｂ）に示す白丸と黒丸のように波形に差が生じている。
【００３５】
そこで、本実施例では、ゲートパルスの立ち上がり部分に対応するチャージパルスに対して位相比較窓Ｗｐｈを設定し、位相差検出部１４が位相比較窓Ｗｐｈの範囲内で２つの波形Ｓ２２およびＳ２３の位相差信号Ｓ２４を算出する。例えば、平均波形Ｓ２３の近似波形２０１を算出し、サンプル波形Ｓ２２との時間差を算出することで、位相差を求める事が可能である。ここでは近似波形２０１は、位相比較窓Ｗｐｈの範囲での平均波形Ｓ２３を直線近似した例を示している。位相シフト部１５は、位相差信号Ｓ２４で示す位相差だけ平均波形Ｓ２３をシフトさせて平均波形Ｓ２３ｃを生成し補間部１０８へ出力する。
【００３６】
補間部１０８は位相調整された平均波形Ｓ２３ｃのサンプル値間を補間することで、補償平均波形Ｓ３０を生成して識別部１０９へ出力する。補償平均波形Ｓ３０はサンプリングクロックＣＬＫｓのジッタを補償した平均波形となるので、この補償平均波形Ｓ３０とサンプル波形Ｓ２２とは図３（Ｃ）に示すように重なり、識別窓Ｗｄの範囲の誤差が補償され、その結果誤検出が回避可能となる。
【００３７】
２．３）効果
本発明の第１実施例によれば、サンプル波形Ｓ２２と平均波形Ｓ２３ｃとの位相を合致させ、さらに平均波形Ｓ２３ｃを補間したもので光子検出の識別を行っているので、サンプリングクロックＣＬＫｓのジッタによりサンプリング部１２でサンプリングポイントのズレが発生しても、識別部１０９において正確な光子検出を行うことができる。
【００３８】
３．第２実施例
上述した第１実施例による光子検出回路において、サンプリング部１０３のサンプリング周期を密にすることでサンプル波形の補間精度更に向上させることができる。本発明の第２実施例による光子検出回路では、平均波形の補間精度の向上を目的として、メモリに格納するサンプル波形の間隔を密にする機能が付加される。
【００３９】
図４は本発明の第２実施例による光子検出回路の構成を示すブロック図である。ただし、図２に示す第１実施例の回路と同じ機能を有するブロックには同一参照番号を付して詳細な説明は省略する。
【００４０】
本実施例では、サンプリングクロックＣＬＫｓが可変遅延部１２０を通してサンプリングクロックＣＬＫｓ＋としてサンプリング部１０３およびメモリ制御部１０６へそれぞれ供給される。可変遅延部１２０の遅延量は遅延制御部１２１からの遅延制御信号Ｓ４０により制御され、サンプリングクロックＣＬＫｓの位相を少なくとも２π以下の幅で変化させる。これにより、サンプリングの時間分解能を向上させることができる。
【００４１】
また、遅延制御部１２１からの遅延制御信号Ｓ４０はメモリ制御部１０６にも供給され、メモリ１０４のメモリアドレスに関して遅延量を反映した制御が可能となる。すなわち、メモリ制御回路１０６は、遅延量の調整ステップ数に対応する大きなメモリアドレス空間の制御を行う。
【００４２】
可変遅延部１２０からのサンプリングクロックＣＬＫｓ＋に従って、サンプリング部１０３は、ＡＰＤ出力Ｓ２１をサンプリングし、サンプル波形Ｓ４１を生成する。このサンプル波形Ｓ４１は、サンプリングクロックＣＬＫｓ＋の周期に相当する時間分解能を持つ。本実施例では、光子検出シーケンスを実行する前に、平均波形Ｓ４２を高精度に生成するトレーニングシーケンスを定義し、その間に可変遅延部１２０を動作させることができる。
【００４３】
一例として、可変遅延部１２０の遅延量を0、π/2、π、3π/2の４段階で制御を行う場合について説明する。
【００４４】
図５（Ａ）はＡＰＤ出力Ｓ２１の波形を示す図であり、図５（Ｂ）はサンプリングクロックＣＬＫｓにより得られるサンプル波形Ｓ２２を示す図であり、図５（Ｃ）はサンプリングクロックＣＬＫｓ＋により得られるサンプル波形Ｓ４１における位相比較窓の前後の部分（チャージパルス部分）を示す拡大図である。
【００４５】
本実施例では、可変遅延部１２０の遅延量が0、π/2、π、3π/2の４段階で制御されるので、図５（Ｃ）の白丸で示すように４倍の時間分解能でＡＰＤ出力Ｓ２１のサンプリングを行い、メモリ１０４にサンプル波形Ｓ４１を格納する。メモリ１０４は、分解能の向上、つまり、可変遅延部１２０の可変ステップ数に相当するだけの容量を備える必要がある。この場合、４段階の遅延制御ステップであれば、図２におけるメモリ１０４のメモリ量に対して、４倍のメモリ量を備える。
【００４６】
このように、本実施例によれば、サンプリングクロックＣＬＫｓを可変遅延制御によりスキャンし、それに対応するようにメモリ１０４の容量を拡張することにより、生成する平均波形Ｓ４２の時間分解能を向上させることができる。これにより位相調整部１０７での位相比較処理の精度が改善される。すなわち、チャージパルスの時間幅に対してサンプリングクロックＣＬＫｓの周期が広い場合であっても、位相比較の精度劣化を回避することができる。
【００４７】
４．第３実施例
上述した第２実施例による光子検出回路では、サンプリング部１０３のサンプリング周期を密にすることでサンプル波形の補間精度更に向上させることができるが、本発明の第３実施例による光子検出回路では、サンプリングの時間分解能を十分に向上させる事により補間処理を省略することが可能である。
【００４８】
図６は本発明の第３実施例による光子検出回路の構成を示すブロック図である。ただし、図４に示す第２実施例の回路と同じ機能を有するブロックには同一参照番号を付して詳細な説明は省略する。本実施例によれば、位相調整部１０７の位相調整後の平均波形Ｓ４２ｃは、セレクタ１３０により選択平均波形Ｓ５０として識別部１３１へ出力される。
【００４９】
たとえば、上述したように可変遅延部１２０の遅延量を0、π/2、π、3π/2の４段階で制御することで、４倍の分解能の向上が得られたが、更に微細に遅延制御を行う事で平均波形Ｓ４２の誤差を減少させることができる。したがって、可変遅延部１２０の遅延ステップ数を増大させることにより、補間処理を必要としない程に十分な精度を持つ平均波形Ｓ４２ｃとして生成する事が可能となる。この場合、識別部１３１で必要とするデータ量は平均波形Ｓ４２ｃのように多量ではないので、セレクタ１３０によって平均波形Ｓ４２ｃから識別窓Ｗｄの処理を行うのに必要十分な選択平均波形Ｓ５０を生成して識別部１３１へ出力する。言い換えれば、ゲート周期のうち、識別窓に対応するタイミングの平均波形Ｓ４２ｃのみを選択平均波形Ｓ５０として識別部１３１へ出力すればよい。
【００５０】
このように、可変遅延部１２０の遅延制御ステップ数を増大させることで補間処理を省略することが可能な程度に十分な精度をもつ平均波形Ｓ４２を生成することができる。サンプリング精度を高めることでメモリ１０４の容量は増大するが、第１実施例のような補間部１０８を省略することができ、処理回路の規模の削減と同時に、補間処理に必要な演算時間の圧縮が可能となる。
【００５１】
５．第４実施例
上述した第３実施例では、補間処理を省略することができる反面、メモリ１０４の容量が増大する。そこで、本発明の第４実施例では、補間処理を省略し、かつメモリ１０４の容量を削減可能な構成を提供する。
【００５２】
図７は本発明の第４実施例による光子検出回路の構成を示すブロック図である。ただし、図６に示す第３実施例の回路と同じ機能を有するブロックには同一参照番号を付して詳細な説明は省略する。本実施例によれば、ゲート周期波形平均化部のメモリ１０４の前段にスイッチ１４０を設けることで、メモリ１０４の容量の増大を回避する。
【００５３】
スイッチ１４０は、メモリ制御部１０６の制御によりサンプル波形Ｓ４１をメモリ１０４へ選択的に伝達する。すなわち、サンプル波形Ｓ４１の識別処理に必要となる部分は、位相比較窓および識別窓の時間領域のみであるから、スイッチ１４０は、サンプル波形Ｓ４１の必要な位相部分のみを選択的にメモリ１０４に格納する。これによってメモリ１０４の容量の増大を回避することができる。具体体な動作例を次に説明する。
【００５４】
図８（Ａ）はＡＰＤ出力Ｓ２１の波形を示す図であり、図８（Ｂ）はサンプリングクロックＣＬＫｓ＋により得られるサンプル波形Ｓ４１を示す図であり、図８（Ｃ）は位相比較窓および識別窓を選択するスイッチタイミング信号を示す波形図である。
【００５５】
上述したようにサンプル波形Ｓ４１の識別処理に必要となる部分は、位相比較窓および識別窓の時間領域のみであるから、図８（Ｃ）に示すように、位相比較窓および識別窓に対応するタイムスロットのみ、サンプル波形Ｓ４１をメモリ１０４に伝達するようにスイッチ１４０を制御すればよい。たとえば、図８（Ｃ）に示すような波形のスイッチ制御信号をメモリ制御部１０６がスイッチ１４０へ出力し、位相比較窓および識別窓のタイミングでサンプル波形Ｓ４１をメモリ１０４へ通過させ、その他の期間ではサンプル波形Ｓ４１をメモリ１０４に格納されない。
【００５６】
このようにメモリ制御を行うことで、サンプリングの時間分解能を十分に向上させることで補間処理を省略することができ、かつメモリ１０４の容量を削減することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明による光子検出回路は、量子鍵配信装置および量子暗号装置、あるいは、光子数検出器、Optical Time Domain Reflectmeter (OTDR)、分光器、暗視野カメラなどの光子検出部に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の一実施形態による光子検出回路の概略的な構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施例による光子検出回路の構成を示すブロック図である。
【図３】（Ａ）はサンプリングポイントとＡＰＤ出力Ｓ２１の波形とを示す図であり、（Ｂ）はサンプリングジッタ等に起因するサンプル波形と平均波形との波形のズレと位相検出動作を説明するための図であり、（Ｃ）は位相調整されたサンプル波形および平均波形と保管された平均波形を示す図である。
【図４】本発明の第２実施例による光子検出回路の構成を示すブロック図である。
【図５】（Ａ）はＡＰＤ出力Ｓ２１の波形を示す図であり、（Ｂ）はサンプリングクロックＣＬＫｓにより得られるサンプル波形Ｓ２２を示す図であり、（Ｃ）はサンプリングクロックＣＬＫｓ＋により得られるサンプル波形Ｓ４１における位相比較窓の前後の部分（チャージパルス部分）を示す拡大図である。
【図６】本発明の第３実施例による光子検出回路の構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の第４実施例による光子検出回路の構成を示すブロック図である。
【図８】（Ａ）はＡＰＤ出力Ｓ２１の波形を示す図であり、（Ｂ）はサンプリングクロックＣＬＫｓ＋により得られるサンプル波形Ｓ４１を示す図であり、（Ｃ）は位相比較窓および識別窓を選択するスイッチタイミング信号を示す波形図である。
【図９】（Ａ）はデジタル信号処理によりチャージパルス補償と信号識別とを実行する光子検出回路の概念的な構成図であり、（Ｂ）はそのゲートパルスおよびＡＰＤ出力信号の一例を示す波形図である。
【図１０】（Ａ）はサンプリングポイントとＡＰＤ出力Ｓ２の波形とを示す図であり、（Ｂ）はサンプリングジッタに起因するサンプル波形と平均波形との波形のズレを示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１０ アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）
１１ ゲート生成部
１２ サンプリング部
１３ ゲート周期波形平均化部
１４ 位相差検出部
１５ 位相シフト部
１６ 識別部
ＣＬＫｇ ゲートクロック
ＣＬＫｓ サンプリングクロック
Ｓ２０ ゲートパルス
Ｓ２１ ＡＰＤ出力
Ｓ２２ サンプル波形
Ｓ２３ 平均波形
Ｓ２２ｃ 位相調整後のサンプル波形
Ｓ２３ｃ 位相調整後の平均波形
Ｓ２４ 位相差信号
Ｓ２５ 光子検出信号
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アバランシェ・フォトダイオード（Avalanche photodiode）等の単一光子検出可能な受光素子をゲートモードで駆動する光子検出回路に係り、特に受光素子の出力信号をサンプリングにより離散的なデータとして処理する光子検出回路および光子検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光子受信器において、単一光子を検出する素子としては、一般にアバランシェ・フォトダイオード（以下、ＡＰＤと記す。）が用いられている。基本的には、ＡＰＤのブレークダウン電圧(ＶＢｄ)以上の逆バイアス電圧をＡＰＤに印加することでＡＰＤの増倍率を極めて大きくしておき、光子１個から生成する光電流を十分に大きな信号振幅まで増幅することで外部回路による処理を可能にしている。
【０００３】
光ファイバを用いた長距離単一光子伝送を行う為には、1.55um帯に感度を持つ化合物系のＡＰＤが光子検出素子として最適である。非特許文献１に記載されるように、化合物ＡＰＤを用いた単一光子検出器では、ＡＰＤ素子の冷却とゲートモードの適用が必須である。ゲートモードで駆動されたＡＰＤから出力される光子検出信号は、ゲートパルスの微分波形に光子検出信号波形が重畳されて出力される。この微分波形はＡＰＤのＰＮジャンクションの寄生容量に起因することから、チャージパルスとも呼ばれる。
【０００４】
チャージパルスは、回路帯域の上昇に連れて大きな振幅として観測されるために、小振幅の光子検出信号の検出を阻害する。この問題を解決するための高精度なチャージパルス補償方式が非特許文献２〜４に提案されており、高感度な光子検出が実現可能になった。
【０００５】
更に、非特許文献５および特許文献１には、上述したチャージパルス補償回路において、素子の個体差に起因したチャージパルス補償誤差の問題が存在する事を指摘し、その解決方法を提案している。
【０００６】
非特許文献２〜４で提案された手法では、ＡＰＤ出力信号をアナログ信号としてチャージパルス補償を行い信号の識別を行っている。それに対して、非特許文献５および特許文献１に記載の手法では、ＡＰＤ出力波形を高速のアナログ−デジタル（ＡＤ）コンバータを用いてサンプリングを行い、デジタル信号処理によりチャージパルス補償と信号識別とを実行する（以下、この方式をＡＤＣ方式と呼ぶ）。アナログ処理による方式ではＡＰＤの種類や個体差に合わせて補償信号の生成回路や遅延調節の必要があったのに対して、ＡＤＣ方式では、補償波形を過去のＡＰＤ出力波形を用いて生成しているので、個別調整が不要となり量産性に優れている事が特徴である。以下、非特許文献５および特許文献１に記載されたＡＤＣ方式の光子検出回路について簡単に説明する。
【０００７】
図９（Ａ）はデジタル信号処理によりチャージパルス補償と信号識別とを実行する光子検出回路の概念的な構成図であり、図９（Ｂ）はそのゲートパルスおよびＡＰＤ出力信号の一例を示す波形図である。ＡＰＤ１には、直流バイアス電圧に重畳してゲート生成回路２から周期的なゲートパルスＳ１が印加される（図９（Ｂ））。これによってＡＰＤ１からゲートパルスＳ１の微分波形を含む出力信号Ｓ２が出力される（図９（Ｂ））。ここでは、（Ｎ＋１）回目のゲートパルス印加時に光子が入射し、これによって、ゲートパルスＳ１の微分波形に光子に起因する受光成分が重畳されたＡＰＤ出力Ｓ２の波形が例示されている。
【０００８】
ＡＰＤ出力Ｓ２は、サンプリング回路３によってサンプリングクロックに従ってサンプリングされ、サンプリングされた離散的データＳ３（以下、サンプル波形という。）としてゲート周期波形平均化部４へ出力される。ゲート周期波形平均化部４は、ゲート周期ごとのサンプル波形Ｓ３が平均化され、その平均波形Ｓ４が識別部５へ出力される。光子の到達率が低い場合には、平均波形Ｓ４は実質的に微分波形に近い波形となる。したがって、識別部５は平均波形Ｓ４に対するサンプル波形Ｓ３の差分を識別することで、チャージパルス補償された光子検出信号Ｓ４を出力する。
【０００９】
【非特許文献１】B.F.Levine, C.G.Bethea and J.C.Campbell,“Nearroom temperature 1.3um single photon counting with a InGaAsavalanche photodiode”, Electronics Letters, vol.20 No.14, 1964, pp596
【非特許文献２】Donald S Bethune, William P. Risk, Gary W. Pabst, “A high-performance integrated single-photon detector for telecom wavelengths,” Journal of Modern Optics, Vol. 51, No. 9-10 / 15 June-10 July 2004, pp. 1359-1368
【非特許文献３】GREGOIRE RIBORDY, NICOLAS GISIN, OLIVIER GUINNARD, DAMIEN STUCKI, MARK WEGMULLER and HUGO ZBINDEN “Photon counting at telecom wavelengths with commercial InGaAs/InPavalanche photodiodes: current performance,”Journalof modern optics, 15 june - 10 july2004、vol. 51, no. 9-10, pp. 1381-1398
【非特許文献４】Akio Yoshizawa, Ryosaku Kaji, and Hidemi Tsuchida, “Gated-mode single-photon detection at 1550 nm by discharge pulse counting,”APPLIEDPHYSICS LETTERS, VOLUME 84, NUMBER 18 3 MAY 2004, pp. 3606-3608
【非特許文献５】SeigoTakahashi, Akio Tajima, Akihisa Tomita (NEC, JST), “High-efficiency single photon detector combined with an ultra-small APD module and a self-training discriminator for high-speed quantum cryptosystems,” The 13th Microoptics conference (MOC'07) technical digest, Oct 28, 2007, Post deadline papers, PD1
【特許文献１】特開２００６−２８４２０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、ＡＰＤ出力をサンプリングして離散的なデータとして処理する場合、サンプリングクロックが持つジッタ等の原因によりサンプル波形Ｓ３の誤差が拡大し、識別の精度が劣化する場合がある。すなわち、チャージパルス領域の信号の時間変化率が非常に大きいので、サンプリングポイントの変化に対して、サンプリングされる信号レベルが大きく変化する。つまり、サンプリングクロックがジッタを持つ場合、チャージパルス領域のサンプリング結果は、本来は一定である事が期待されるにも拘わらず大きな揺らぎを持つ。この事はＡＤＣ方式の特徴である、
このようなサンプル波形Ｓ３の揺らぎは、平均波形Ｓ４から差分により光子検出の識別を行う識別部５にとっては誤差の拡大を意味する。つまり、システムの持つ最大のジッタのズレ量のクロックでサンプリングされたＡＰＤ出力Ｓ２は平均波形Ｓ４とは異なるレベルとなり、サンプル波形Ｓ３と平均波形Ｓ４との比較により信号識別を行うと、ジッタによる波形の差を誤識別する可能性がある。この誤識別によるエラーを低減する為には、識別の閾値を高くする必要があるが、このことは小信号の検出漏れによる光子検出効率の低下に招来する。以下、サンプリングジッタの影響について具体的に説明する。
【００１１】
図１０（Ａ）はサンプリングポイントとＡＰＤ出力Ｓ２の波形とを示す図であり、図１０（Ｂ）はサンプリングジッタに起因するサンプル波形と平均波形との波形のズレを示す図である。図１０（Ａ）に示すように、ＡＰＤ出力波形Ｓ２に対して、サンプリングポイントがＡおよびＢのようにずれた場合、特にサンプル波形Ｓ３のレベルが非常に大きく時間変化する部分では信号レベルが大きく変化することが分かる。
【００１２】
図１０（Ｂ）に示すように、白丸で示す平均波形Ｓ４に対して、サンプル波形Ｓ３のサンプリングポイントがずれて黒丸で示す波形Ｓ３となった場合、光子検出を識別する識別窓での信号レベルが変動する。このためにサンプル波形Ｓ３と平均波形Ｓ４との比較により信号識別を行うと、ジッタによる波形の差を誤識別する可能性がある。
【００１３】
そこで、本発明の目的は、サンプリングクロックがジッタを持っていても、精度の良い識別が可能な光子検出回路および光子検出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明による光子検出回路は、受光素子に所定周期でゲートパルスを印加することにより光子検出を行う光子検出回路であって、前記受光素子の前記所定周期単位のサンプル波形データを平均することで平均波形データを生成するゲート周期平均化手段と、前記平均波形データと前記受光素子から出力されたサンプル波形データとの位相差をなくすように、前記平均波形データおよび前記出力されたサンプル波形データの少なくとも一方の位相を調整する位相調整手段と、位相調整された前記平均波形データに対する前記出力されたサンプル波形データから光子検出の識別を行う識別手段と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、サンプリングクロックがジッタを持っていても、光子検出の精度の良い識別が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
１．一実施形態
図１は本発明の一実施形態による光子検出回路の概略的な構成を示すブロック図である。ここでは、ゲートパルス駆動によって光子検出可能な受光素子としてアバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）を用いた光子検出回路を例示する。
【００１７】
ＡＰＤ１０にはゲート生成回路１１からゲートパルスＳ２０が所定周期（ゲート周期）で印加される。ゲート生成回路１１はゲートクロックＣＬＫｇに従ってゲートパルスＳ２０をゲート周期で生成する。これによってＡＰＤ１０はゲートパルスＳ２０の微分波形を含むＡＰＤ出力Ｓ２１をゲート周期で出力する。ゲートパルスＳ２０が印加されている期間に光子信号Ｓ１が入射すると、これによって、ゲートパルスＳ２０の微分波形に光子に起因する受光成分が重畳されたＡＰＤ出力Ｓ２１が出力される。
【００１８】
ＡＰＤ出力Ｓ２１は、サンプリング部１２によってサンプリングクロックＣＬＫｓに従ってサンプリングされ、サンプリングされた離散的な時系列データＳ２２（以下、サンプル波形Ｓ２２という。）としてゲート周期波形平均化部１３へ出力される。ゲート周期波形平均化部１３は、ゲートクロックＣＬＫｇおよびサンプリングクロックＣＬＫｓを入力し、ゲート周期ごとのサンプル波形Ｓ２２を各時点で平均化し、その平均化された時系列データＳ２３（以下、平均波形Ｓ２３という。）を位相調整部へ出力する。
【００１９】
位相調整部は位相差検出部１４および位相シフト部１５からなる。位相差検出部１４は、サンプル波形Ｓ２２と平均波形Ｓ２３とを後述する位相比較窓の期間で比較することにより位相差を検出し、その位相差信号Ｓ２４を位相シフト部１５へ出力する。
【００２０】
位相シフト部１５は、位相差をゼロにするように、サンプル波形Ｓ２２あるいは平均波形Ｓ２３を相対的に位相シフトさせ、位相が合致したサンプル波形Ｓ２２ｃおよび平均波形Ｓ２３ｃを識別部１６へ出力する。
【００２１】
識別部１６は、平均波形Ｓ２３ｃに対するサンプル波形Ｓ２２ｃの差分を識別窓の期間で検出し、その差分と所定閾値との比較結果を光子検出信号Ｓ２５として出力する。
【００２２】
上述したように、光子信号Ｓ１の光子到達率が低い場合には、平均波形Ｓ２３は実質的にゲートパルスＳ２０の微分波形に近い波形となる。したがって、識別部１６は平均波形Ｓ２３ｃに対するサンプル波形Ｓ２２ｃの差分からチャージパルス補償された光子検出信号Ｓ２５を得ることができる。
【００２３】
さらに、本実施形態によれば、識別部１６には、位相が合致したサンプル波形Ｓ２２ｃおよび平均波形Ｓ２３ｃが入力するので、サンプリングクロックＣＬＫｓのジッタによりサンプリング部１２でサンプリングポイントのズレが発生しても、正確な光子検出を行うことができる。言い換えれば、サンプル波形Ｓ２２ｃと平均波形Ｓ２３ｃとの比較によりサンプリングクロックＣＬＫｓのジッタを推測し、信号識別の精度劣化を回避することができる。
【００２４】
なお、サンプリング部１２、ゲート周期波形平均化部１３、位相差検出部１４、位相シフト部１５および識別部１６と同等の機能は、プログラムをＣＰＵ等のプログラム制御プロセッサ上で実行することにより実現することもできる。
【００２５】
２．第１実施例
２．１）構成
図２は本発明の第１実施例による光子検出回路の構成を示すブロック図である。ＡＰＤ１０１には直流バイアス電圧に重畳してゲート生成回路１０２からゲートパルスＳ２０が所定周期（ゲート周期）で印加される。ゲート生成回路１０２は、ゲートクロックＣＬＫｇに従って、ＡＰＤ１０１のブレークダウン電圧(ＶＢｄ)以上の逆バイアス電圧（ゲートパルスＳ２０）をゲート周期で生成する。これによってＡＰＤ１０１はゲートパルスＳ２０の微分波形を含むＡＰＤ出力Ｓ２１をゲート周期で出力する。上述したように、ゲートパルスＳ２０が印加されている期間に光子信号Ｓ１が入射すると、ゲートパルスＳ２０の微分波形に光子に起因する受光成分が重畳されたＡＰＤ出力Ｓ２１が出力される。
【００２６】
ＡＰＤ出力Ｓ２１はサンプリング部１０３によってサンプリングクロックＣＬＫｓに従ってサンプリングされ、離散的なサンプル波形Ｓ２２としてゲート周期波形平均化部へ出力される。ゲート周期波形平均化部は、メモリ１０４、波形平均化部１０５およびメモリ制御部１０６からなる。サンプル波形Ｓ２２はメモリ１０４に蓄積され、波形平均化部１０５によって平均波形Ｓ２３が生成される。
【００２７】
具体的には、メモリ制御部１０６のアドレス制御によりサンプル波形Ｓ２２はメモリ１０４に時系列に書き込まれ、波形平均化部１０５はその時系列のサンプル波形Ｓ２２をゲート周期単位で読み出してゲート周期内の各サンプリングポイントでの平均レベルを算出し、ゲート周期における平均波形Ｓ２３を生成する。
【００２８】
こうして生成された平均波形Ｓ２３は位相調整部１０７に入力し、サンプル波形Ｓ２２と位相調整される。位相調整部１０７は、上述した位相差検出部１４および位相シフト部１５により構成することができるが、本実施例では、平均波形Ｓ２３だけを位相シフトさせてサンプル波形Ｓ２２の位相と合致させている。
【００２９】
位相調整された平均波形Ｓ２３ｃは補間部１０８に入力する。補間部１０８は平均波形Ｓ２３ｃから後述する補償平均波形Ｓ３０を生成して識別部１０９へ出力する。識別部１０９は、ゲートクロックＣＬＫｇに従ってサンプル波形Ｓ２２と補償平均波形Ｓ３０を入力し、２つの波形の差分を演算することで光子検出信号の有無を識別し光子検出信号Ｓ３１を生成する。
【００３０】
なお、クロック源１１０およびクロック処理部１１１によってゲートクロックＣＬＫｇおよびサンプリングクロックＣＬＫｓが生成される。ゲートクロックＣＬＫｇはゲート生成部１０２、メモリ制御部１０６および識別部１０９へ出力され、サンプリングクロックＣＬＫｓはサンプリング部１０３およびメモリ制御部１０６に出力される。
【００３１】
２．２）位相調整および補間動作
次に、本実施例による光子検出回路の位相調整部１０７および補間部１０８による補償平均波形Ｓ３０の生成動作について説明する。
【００３２】
図３（Ａ）はサンプリングポイントとＡＰＤ出力Ｓ２１の波形とを示す図であり、図３（Ｂ）はサンプリングジッタ等に起因するサンプル波形と平均波形との波形のズレと位相検出動作を説明するための図であり、図３（Ｃ）は位相調整されたサンプル波形および平均波形と保管された平均波形を示す図である。
【００３３】
ここでは図３（Ａ）に示すＡＰＤ出力波形Ｓ２１に対してサンプリングポイントがずれた場合を考える。この場合、図３（Ｂ）に示すように、白丸で示す平均波形Ｓ２３に対して、サンプル波形Ｓ２２は黒丸で示すように位相がシフトしている。
【００３４】
既に述べたように、ＡＰＤ１０１に光子が入射して電流が流れた場合、識別窓Ｗｄで示した領域に受光成分が出現する。したがって、ゲートパルス立ち上がり部分のチャージパルスでは、サンプル波形Ｓ２２と平均波形Ｓ２３とは本体同じ値を取るべきであるが、サンプリングポイントがずれたことにより、図３（Ｂ）に示す白丸と黒丸のように波形に差が生じている。
【００３５】
そこで、本実施例では、ゲートパルスの立ち上がり部分に対応するチャージパルスに対して位相比較窓Ｗｐｈを設定し、位相差検出部１４が位相比較窓Ｗｐｈの範囲内で２つの波形Ｓ２２およびＳ２３の位相差信号Ｓ２４を算出する。例えば、平均波形Ｓ２３の近似波形２０１を算出し、サンプル波形Ｓ２２との時間差を算出することで、位相差を求める事が可能である。ここでは近似波形２０１は、位相比較窓Ｗｐｈの範囲での平均波形Ｓ２３を直線近似した例を示している。位相シフト部１５は、位相差信号Ｓ２４で示す位相差だけ平均波形Ｓ２３をシフトさせて平均波形Ｓ２３ｃを生成し補間部１０８へ出力する。
【００３６】
補間部１０８は位相調整された平均波形Ｓ２３ｃのサンプル値間を補間することで、補償平均波形Ｓ３０を生成して識別部１０９へ出力する。補償平均波形Ｓ３０はサンプリングクロックＣＬＫｓのジッタを補償した平均波形となるので、この補償平均波形Ｓ３０とサンプル波形Ｓ２２とは図３（Ｃ）に示すように重なり、識別窓Ｗｄの範囲の誤差が補償され、その結果誤検出が回避可能となる。
【００３７】
２．３）効果
本発明の第１実施例によれば、サンプル波形Ｓ２２と平均波形Ｓ２３ｃとの位相を合致させ、さらに平均波形Ｓ２３ｃを補間したもので光子検出の識別を行っているので、サンプリングクロックＣＬＫｓのジッタによりサンプリング部１２でサンプリングポイントのズレが発生しても、識別部１０９において正確な光子検出を行うことができる。
【００３８】
３．第２実施例
上述した第１実施例による光子検出回路において、サンプリング部１０３のサンプリング周期を密にすることでサンプル波形の補間精度更に向上させることができる。本発明の第２実施例による光子検出回路では、平均波形の補間精度の向上を目的として、メモリに格納するサンプル波形の間隔を密にする機能が付加される。
【００３９】
図４は本発明の第２実施例による光子検出回路の構成を示すブロック図である。ただし、図２に示す第１実施例の回路と同じ機能を有するブロックには同一参照番号を付して詳細な説明は省略する。
【００４０】
本実施例では、サンプリングクロックＣＬＫｓが可変遅延部１２０を通してサンプリングクロックＣＬＫｓ＋としてサンプリング部１０３およびメモリ制御部１０６へそれぞれ供給される。可変遅延部１２０の遅延量は遅延制御部１２１からの遅延制御信号Ｓ４０により制御され、サンプリングクロックＣＬＫｓの位相を少なくとも２π以下の幅で変化させる。これにより、サンプリングの時間分解能を向上させることができる。
【００４１】
また、遅延制御部１２１からの遅延制御信号Ｓ４０はメモリ制御部１０６にも供給され、メモリ１０４のメモリアドレスに関して遅延量を反映した制御が可能となる。すなわち、メモリ制御回路１０６は、遅延量の調整ステップ数に対応する大きなメモリアドレス空間の制御を行う。
【００４２】
可変遅延部１２０からのサンプリングクロックＣＬＫｓ＋に従って、サンプリング部１０３は、ＡＰＤ出力Ｓ２１をサンプリングし、サンプル波形Ｓ４１を生成する。このサンプル波形Ｓ４１は、サンプリングクロックＣＬＫｓ＋の周期に相当する時間分解能を持つ。本実施例では、光子検出シーケンスを実行する前に、平均波形Ｓ４２を高精度に生成するトレーニングシーケンスを定義し、その間に可変遅延部１２０を動作させることができる。
【００４３】
一例として、可変遅延部１２０の遅延量を0、π/2、π、3π/2の４段階で制御を行う場合について説明する。
【００４４】
図５（Ａ）はＡＰＤ出力Ｓ２１の波形を示す図であり、図５（Ｂ）はサンプリングクロックＣＬＫｓにより得られるサンプル波形Ｓ２２を示す図であり、図５（Ｃ）はサンプリングクロックＣＬＫｓ＋により得られるサンプル波形Ｓ４１における位相比較窓の前後の部分（チャージパルス部分）を示す拡大図である。
【００４５】
本実施例では、可変遅延部１２０の遅延量が0、π/2、π、3π/2の４段階で制御されるので、図５（Ｃ）の白丸で示すように４倍の時間分解能でＡＰＤ出力Ｓ２１のサンプリングを行い、メモリ１０４にサンプル波形Ｓ４１を格納する。メモリ１０４は、分解能の向上、つまり、可変遅延部１２０の可変ステップ数に相当するだけの容量を備える必要がある。この場合、４段階の遅延制御ステップであれば、図２におけるメモリ１０４のメモリ量に対して、４倍のメモリ量を備える。
【００４６】
このように、本実施例によれば、サンプリングクロックＣＬＫｓを可変遅延制御によりスキャンし、それに対応するようにメモリ１０４の容量を拡張することにより、生成する平均波形Ｓ４２の時間分解能を向上させることができる。これにより位相調整部１０７での位相比較処理の精度が改善される。すなわち、チャージパルスの時間幅に対してサンプリングクロックＣＬＫｓの周期が広い場合であっても、位相比較の精度劣化を回避することができる。
【００４７】
４．第３実施例
上述した第２実施例による光子検出回路では、サンプリング部１０３のサンプリング周期を密にすることでサンプル波形の補間精度更に向上させることができるが、本発明の第３実施例による光子検出回路では、サンプリングの時間分解能を十分に向上させる事により補間処理を省略することが可能である。
【００４８】
図６は本発明の第３実施例による光子検出回路の構成を示すブロック図である。ただし、図４に示す第２実施例の回路と同じ機能を有するブロックには同一参照番号を付して詳細な説明は省略する。本実施例によれば、位相調整部１０７の位相調整後の平均波形Ｓ４２ｃは、セレクタ１３０により選択平均波形Ｓ５０として識別部１３１へ出力される。
【００４９】
たとえば、上述したように可変遅延部１２０の遅延量を0、π/2、π、3π/2の４段階で制御することで、４倍の分解能の向上が得られたが、更に微細に遅延制御を行う事で平均波形Ｓ４２の誤差を減少させることができる。したがって、可変遅延部１２０の遅延ステップ数を増大させることにより、補間処理を必要としない程に十分な精度を持つ平均波形Ｓ４２ｃとして生成する事が可能となる。この場合、識別部１３１で必要とするデータ量は平均波形Ｓ４２ｃのように多量ではないので、セレクタ１３０によって平均波形Ｓ４２ｃから識別窓Ｗｄの処理を行うのに必要十分な選択平均波形Ｓ５０を生成して識別部１３１へ出力する。言い換えれば、ゲート周期のうち、識別窓に対応するタイミングの平均波形Ｓ４２ｃのみを選択平均波形Ｓ５０として識別部１３１へ出力すればよい。
【００５０】
このように、可変遅延部１２０の遅延制御ステップ数を増大させることで補間処理を省略することが可能な程度に十分な精度をもつ平均波形Ｓ４２を生成することができる。サンプリング精度を高めることでメモリ１０４の容量は増大するが、第１実施例のような補間部１０８を省略することができ、処理回路の規模の削減と同時に、補間処理に必要な演算時間の圧縮が可能となる。
【００５１】
５．第４実施例
上述した第３実施例では、補間処理を省略することができる反面、メモリ１０４の容量が増大する。そこで、本発明の第４実施例では、補間処理を省略し、かつメモリ１０４の容量を削減可能な構成を提供する。
【００５２】
図７は本発明の第４実施例による光子検出回路の構成を示すブロック図である。ただし、図６に示す第３実施例の回路と同じ機能を有するブロックには同一参照番号を付して詳細な説明は省略する。本実施例によれば、ゲート周期波形平均化部のメモリ１０４の前段にスイッチ１４０を設けることで、メモリ１０４の容量の増大を回避する。
【００５３】
スイッチ１４０は、メモリ制御部１０６の制御によりサンプル波形Ｓ４１をメモリ１０４へ選択的に伝達する。すなわち、サンプル波形Ｓ４１の識別処理に必要となる部分は、位相比較窓および識別窓の時間領域のみであるから、スイッチ１４０は、サンプル波形Ｓ４１の必要な位相部分のみを選択的にメモリ１０４に格納する。これによってメモリ１０４の容量の増大を回避することができる。具体体な動作例を次に説明する。
【００５４】
図８（Ａ）はＡＰＤ出力Ｓ２１の波形を示す図であり、図８（Ｂ）はサンプリングクロックＣＬＫｓ＋により得られるサンプル波形Ｓ４１を示す図であり、図８（Ｃ）は位相比較窓および識別窓を選択するスイッチタイミング信号を示す波形図である。
【００５５】
上述したようにサンプル波形Ｓ４１の識別処理に必要となる部分は、位相比較窓および識別窓の時間領域のみであるから、図８（Ｃ）に示すように、位相比較窓および識別窓に対応するタイムスロットのみ、サンプル波形Ｓ４１をメモリ１０４に伝達するようにスイッチ１４０を制御すればよい。たとえば、図８（Ｃ）に示すような波形のスイッチ制御信号をメモリ制御部１０６がスイッチ１４０へ出力し、位相比較窓および識別窓のタイミングでサンプル波形Ｓ４１をメモリ１０４へ通過させ、その他の期間ではサンプル波形Ｓ４１をメモリ１０４に格納されない。
【００５６】
このようにメモリ制御を行うことで、サンプリングの時間分解能を十分に向上させることで補間処理を省略することができ、かつメモリ１０４の容量を削減することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明による光子検出回路は、量子鍵配信装置および量子暗号装置、あるいは、光子数検出器、Optical Time Domain Reflectmeter (OTDR)、分光器、暗視野カメラなどの光子検出部に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の一実施形態による光子検出回路の概略的な構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施例による光子検出回路の構成を示すブロック図である。
【図３】（Ａ）はサンプリングポイントとＡＰＤ出力Ｓ２１の波形とを示す図であり、（Ｂ）はサンプリングジッタ等に起因するサンプル波形と平均波形との波形のズレと位相検出動作を説明するための図であり、（Ｃ）は位相調整されたサンプル波形および平均波形と保管された平均波形を示す図である。
【図４】本発明の第２実施例による光子検出回路の構成を示すブロック図である。
【図５】（Ａ）はＡＰＤ出力Ｓ２１の波形を示す図であり、（Ｂ）はサンプリングクロックＣＬＫｓにより得られるサンプル波形Ｓ２２を示す図であり、（Ｃ）はサンプリングクロックＣＬＫｓ＋により得られるサンプル波形Ｓ４１における位相比較窓の前後の部分（チャージパルス部分）を示す拡大図である。
【図６】本発明の第３実施例による光子検出回路の構成を示すブロック図である。
【図７】本発明の第４実施例による光子検出回路の構成を示すブロック図である。
【図８】（Ａ）はＡＰＤ出力Ｓ２１の波形を示す図であり、（Ｂ）はサンプリングクロックＣＬＫｓ＋により得られるサンプル波形Ｓ４１を示す図であり、（Ｃ）は位相比較窓および識別窓を選択するスイッチタイミング信号を示す波形図である。
【図９】（Ａ）はデジタル信号処理によりチャージパルス補償と信号識別とを実行する光子検出回路の概念的な構成図であり、（Ｂ）はそのゲートパルスおよびＡＰＤ出力信号の一例を示す波形図である。
【図１０】（Ａ）はサンプリングポイントとＡＰＤ出力Ｓ２の波形とを示す図であり、（Ｂ）はサンプリングジッタに起因するサンプル波形と平均波形との波形のズレを示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１０ アバランシェ・フォトダイオード（ＡＰＤ）
１１ ゲート生成部
１２ サンプリング部
１３ ゲート周期波形平均化部
１４ 位相差検出部
１５ 位相シフト部
１６ 識別部
ＣＬＫｇ ゲートクロック
ＣＬＫｓ サンプリングクロック
Ｓ２０ ゲートパルス
Ｓ２１ ＡＰＤ出力
Ｓ２２ サンプル波形
Ｓ２３ 平均波形
Ｓ２２ｃ 位相調整後のサンプル波形
Ｓ２３ｃ 位相調整後の平均波形
Ｓ２４ 位相差信号
Ｓ２５ 光子検出信号
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光素子に所定周期でゲートパルスを印加することにより光子検出を行う光子検出回路において、
前記受光素子の前記所定周期単位のサンプル波形データを平均することで平均波形データを生成するゲート周期平均化手段と、
前記平均波形データと前記受光素子から出力されたサンプル波形データとの位相差をなくすように、前記平均波形データおよび前記出力されたサンプル波形データの少なくとも一方の位相を調整する位相調整手段と、
位相調整された前記平均波形データに対する前記出力されたサンプル波形データから光子検出の識別を行う識別手段と、
を有することを特徴とする光子検出回路。
【請求項２】
前記位相調整手段は、前記所定周期の中の前記ゲートパルスの立ち上がり部分に対応する時間領域を位相比較窓として前記位相差を検出することを特徴とする請求項１に記載の光子検出回路。
【請求項３】
前記位相調整手段は、前記受光素子の出力波形の時間変化率の大きな時間領域を前記位相比較窓として設定することを特徴とする請求項２に記載の光子検出回路。
【請求項４】
前記識別手段は、前記所定周期の中の前記位相調整手段の位相差検出を行う時間領域とは異なる時間領域に設定された識別窓で前記識別を行うことを特徴とする請求項１−３のいずれか１項に記載の光子検出回路。
【請求項５】
前記位相調整手段により位相調整された前記平均波形データを補間する補間手段を更に設け、前記識別手段は、前記補間された平均波形データに対する前記出力されたサンプル波形データから光子検出の識別を行うことを特徴とする請求項１−４のいずれか１項に記載の光子検出回路。
【請求項６】
前記受光素子の出力波形をサンプリングすることで前記サンプル波形データを得る際のサンプリングクロックの位相を所定ステップでスキャンする可変遅延手段と、
前記スキャンされたサンプリングクロックにより得られた前記所定周期ごとの稠密なサンプル波形データを格納する格納手段と、
を有し、前記ゲート周期平均化手段は前記格納手段に格納された前記稠密なサンプル波形データを前記所定周期単位のサンプル波形データとして入力することを特徴とする請求項１−５のいずれか１項に記載の光子検出回路。
【請求項７】
前記所定周期の中の前記位相調整手段の位相差検出を行う時間領域である位相比較窓とは異なる時間領域に設定された識別窓を設け、前記位相調整された平均波形データのうち前記識別窓の部分を選択して前記識別手段へ出力する選択手段を更に有することを特徴とする請求項６に記載の光子検出回路。
【請求項８】
前記所定周期の中の前記位相調整手段の位相差検出を行う時間領域である位相比較窓と、前記位相比較窓は異なる時間領域に設定された識別窓とを設け、前記サンプル波形データのうち前記位相検出窓および前記識別窓に対応する部分のみを前記格納手段に格納するスイッチ手段を更に有することを特徴とする請求項６または７に記載の光子検出回路。
【請求項９】
受光素子に所定周期でゲートパルスを印加することにより光子検出を行う光子検出方法において、
前記受光素子の前記所定周期単位のサンプル波形データを平均することで平均波形データを生成し、
前記平均波形データと前記受光素子から出力されたサンプル波形データとの位相差をなくすように、前記平均波形データおよび前記出力されたサンプル波形データの少なくとも一方の位相を調整し、
位相調整された前記平均波形データに対する前記出力されたサンプル波形データから光子検出の識別を行う、
ことを特徴とする光子検出方法。
【請求項１０】
前記所定周期の中の前記ゲートパルスの立ち上がり部分に対応する時間領域を位相比較窓として前記位相差を検出することを特徴とする請求項９に記載の光子検出方法。
【請求項１１】
前記受光素子の出力波形の時間変化率の大きな時間領域を前記位相比較窓として設定することを特徴とする請求項１０に記載の光子検出方法。
【請求項１２】
前記所定周期の中の前記位相差検出を行う時間領域とは異なる時間領域に設定された識別窓で前記識別を行うことを特徴とする請求項９−１１のいずれか１項に記載の光子検出方法。
【請求項１３】
前記位相調整された平均波形データを補間し、
前記補間された平均波形データに対する前記出力されたサンプル波形データから光子検出の識別を行うことを特徴とする請求項９−１２のいずれか１項に記載の光子検出方法。
【請求項１４】
前記受光素子の出力波形をサンプリングすることで前記サンプル波形データを得る際のサンプリングクロックの位相を所定ステップでスキャンし、
前記スキャンされたサンプリングクロックにより得られた前記所定周期ごとの稠密なサンプル波形データを格納手段に格納し、
前記格納手段に格納された前記稠密なサンプル波形データを前記所定周期単位のサンプル波形データとして平均化することを特徴とする請求項９−１３のいずれか１項に記載の光子検出方法。
【請求項１５】
前記所定周期の中の前記位相差検出を行う時間領域である位相比較窓とは異なる時間領域に設定された識別窓を設け、前記位相調整された平均波形データのうち前記識別窓の部分を選択して前記識別を実行することを特徴とする請求項１４に記載の光子検出方法。
【請求項１６】
前記所定周期の中の前記位相差検出を行う時間領域である位相比較窓と、前記位相比較窓は異なる時間領域に設定された識別窓とを設け、前記サンプル波形データのうち前記位相検出窓および前記識別窓に対応する部分のみを前記格納手段に格納することを特徴とする請求項１４または１５に記載の光子検出方法。
【請求項１７】
受光素子に所定周期でゲートパルスを印加することにより光子検出を行う光子検出回路としてコンピュータを機能させるプログラムにおいて、さらに、
前記受光素子の前記所定周期単位のサンプル波形データを平均することで平均波形データを生成するゲート周期平均化手段と、
前記平均波形データと前記受光素子から出力されたサンプル波形データとの位相差をなくすように、前記平均波形データおよび前記出力されたサンプル波形データの少なくとも一方の位相を調整する位相調整手段と、
位相調整された前記平均波形データに対する前記出力されたサンプル波形データから光子検出の識別を行う識別手段と、
として前記コンピュータを機能させるプログラム。
【請求項１】
受光素子に所定周期でゲートパルスを印加することにより光子検出を行う光子検出回路において、
前記受光素子の前記所定周期単位のサンプル波形データを平均することで平均波形データを生成するゲート周期平均化手段と、
前記平均波形データと前記受光素子から出力されたサンプル波形データとの位相差をなくすように、前記平均波形データおよび前記出力されたサンプル波形データの少なくとも一方の位相を調整する位相調整手段と、
位相調整された前記平均波形データに対する前記出力されたサンプル波形データから光子検出の識別を行う識別手段と、
を有することを特徴とする光子検出回路。
【請求項２】
前記位相調整手段は、前記所定周期の中の前記ゲートパルスの立ち上がり部分に対応する時間領域を位相比較窓として前記位相差を検出することを特徴とする請求項１に記載の光子検出回路。
【請求項３】
前記位相調整手段は、前記受光素子の出力波形の時間変化率の大きな時間領域を前記位相比較窓として設定することを特徴とする請求項２に記載の光子検出回路。
【請求項４】
前記識別手段は、前記所定周期の中の前記位相調整手段の位相差検出を行う時間領域とは異なる時間領域に設定された識別窓で前記識別を行うことを特徴とする請求項１−３のいずれか１項に記載の光子検出回路。
【請求項５】
前記位相調整手段により位相調整された前記平均波形データを補間する補間手段を更に設け、前記識別手段は、前記補間された平均波形データに対する前記出力されたサンプル波形データから光子検出の識別を行うことを特徴とする請求項１−４のいずれか１項に記載の光子検出回路。
【請求項６】
前記受光素子の出力波形をサンプリングすることで前記サンプル波形データを得る際のサンプリングクロックの位相を所定ステップでスキャンする可変遅延手段と、
前記スキャンされたサンプリングクロックにより得られた前記所定周期ごとの稠密なサンプル波形データを格納する格納手段と、
を有し、前記ゲート周期平均化手段は前記格納手段に格納された前記稠密なサンプル波形データを前記所定周期単位のサンプル波形データとして入力することを特徴とする請求項１−５のいずれか１項に記載の光子検出回路。
【請求項７】
前記所定周期の中の前記位相調整手段の位相差検出を行う時間領域である位相比較窓とは異なる時間領域に設定された識別窓を設け、前記位相調整された平均波形データのうち前記識別窓の部分を選択して前記識別手段へ出力する選択手段を更に有することを特徴とする請求項６に記載の光子検出回路。
【請求項８】
前記所定周期の中の前記位相調整手段の位相差検出を行う時間領域である位相比較窓と、前記位相比較窓は異なる時間領域に設定された識別窓とを設け、前記サンプル波形データのうち前記位相検出窓および前記識別窓に対応する部分のみを前記格納手段に格納するスイッチ手段を更に有することを特徴とする請求項６または７に記載の光子検出回路。
【請求項９】
受光素子に所定周期でゲートパルスを印加することにより光子検出を行う光子検出方法において、
前記受光素子の前記所定周期単位のサンプル波形データを平均することで平均波形データを生成し、
前記平均波形データと前記受光素子から出力されたサンプル波形データとの位相差をなくすように、前記平均波形データおよび前記出力されたサンプル波形データの少なくとも一方の位相を調整し、
位相調整された前記平均波形データに対する前記出力されたサンプル波形データから光子検出の識別を行う、
ことを特徴とする光子検出方法。
【請求項１０】
前記所定周期の中の前記ゲートパルスの立ち上がり部分に対応する時間領域を位相比較窓として前記位相差を検出することを特徴とする請求項９に記載の光子検出方法。
【請求項１１】
前記受光素子の出力波形の時間変化率の大きな時間領域を前記位相比較窓として設定することを特徴とする請求項１０に記載の光子検出方法。
【請求項１２】
前記所定周期の中の前記位相差検出を行う時間領域とは異なる時間領域に設定された識別窓で前記識別を行うことを特徴とする請求項９−１１のいずれか１項に記載の光子検出方法。
【請求項１３】
前記位相調整された平均波形データを補間し、
前記補間された平均波形データに対する前記出力されたサンプル波形データから光子検出の識別を行うことを特徴とする請求項９−１２のいずれか１項に記載の光子検出方法。
【請求項１４】
前記受光素子の出力波形をサンプリングすることで前記サンプル波形データを得る際のサンプリングクロックの位相を所定ステップでスキャンし、
前記スキャンされたサンプリングクロックにより得られた前記所定周期ごとの稠密なサンプル波形データを格納手段に格納し、
前記格納手段に格納された前記稠密なサンプル波形データを前記所定周期単位のサンプル波形データとして平均化することを特徴とする請求項９−１３のいずれか１項に記載の光子検出方法。
【請求項１５】
前記所定周期の中の前記位相差検出を行う時間領域である位相比較窓とは異なる時間領域に設定された識別窓を設け、前記位相調整された平均波形データのうち前記識別窓の部分を選択して前記識別を実行することを特徴とする請求項１４に記載の光子検出方法。
【請求項１６】
前記所定周期の中の前記位相差検出を行う時間領域である位相比較窓と、前記位相比較窓は異なる時間領域に設定された識別窓とを設け、前記サンプル波形データのうち前記位相検出窓および前記識別窓に対応する部分のみを前記格納手段に格納することを特徴とする請求項１４または１５に記載の光子検出方法。
【請求項１７】
受光素子に所定周期でゲートパルスを印加することにより光子検出を行う光子検出回路としてコンピュータを機能させるプログラムにおいて、さらに、
前記受光素子の前記所定周期単位のサンプル波形データを平均することで平均波形データを生成するゲート周期平均化手段と、
前記平均波形データと前記受光素子から出力されたサンプル波形データとの位相差をなくすように、前記平均波形データおよび前記出力されたサンプル波形データの少なくとも一方の位相を調整する位相調整手段と、
位相調整された前記平均波形データに対する前記出力されたサンプル波形データから光子検出の識別を行う識別手段と、
として前記コンピュータを機能させるプログラム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−２２９２４７（Ｐ２００９−２２９２４７Ａ）
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−７４８９４（Ｐ２００８−７４８９４）
【出願日】平成２０年３月２４日（２００８．３．２４）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成１９年度、独立行政法人情報通信研究機構、高度通信・放送研究開発における委託研究）は産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月２４日（２００８．３．２４）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成１９年度、独立行政法人情報通信研究機構、高度通信・放送研究開発における委託研究）は産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
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