光子検出器、それを用いた量子暗号通信装置、及び、光子検出方法
【課題】デッドタイム終了直後に過剰なバイアス電圧が発生することを防止し、誤検出を回避することが可能にする。
【解決手段】光子を検出するためのＡＰＤを備えた光子検出器であって、光子到着予定時刻に応じた周期的なゲートパルス３ｃと直流電圧源６からの直流電圧との和をＡＰＤバイアス電圧７ａとしてＡＰＤ８に印加するゲートパルス発生器２'およびバイアスティー５と、ＡＰＤ８が光子を検出した直後の所定時間の間、ゲートパルス３ｃの出力を抑制し、当該所定時間経過後にゲートパルス３ｃの出力を再開させるデッドタイム信号発生器１３とを備えている。また、ゲートパルス３ｃは、正のゲートパルス３ａと負のゲートパルス３ｂとが組み合わされた正負のゲートパルスである。
【解決手段】光子を検出するためのＡＰＤを備えた光子検出器であって、光子到着予定時刻に応じた周期的なゲートパルス３ｃと直流電圧源６からの直流電圧との和をＡＰＤバイアス電圧７ａとしてＡＰＤ８に印加するゲートパルス発生器２'およびバイアスティー５と、ＡＰＤ８が光子を検出した直後の所定時間の間、ゲートパルス３ｃの出力を抑制し、当該所定時間経過後にゲートパルス３ｃの出力を再開させるデッドタイム信号発生器１３とを備えている。また、ゲートパルス３ｃは、正のゲートパルス３ａと負のゲートパルス３ｂとが組み合わされた正負のゲートパルスである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光子検出器、それを用いた量子暗号通信装置、及び、光子検出方法に関し、高感度な光受信方式、特に、単一光子レベルでの光子検出器、それを用いた量子暗号通信装置、及び、光子検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、量子暗号通信などでは、通信速度の高速化と通信距離の延伸化のため、高速かつ高検出効率な光子受信装置が必要となっている。
【０００３】
量子暗号通信で波長１．５μｍ帯の光子を用いる際には、高感度な光子検出を行うために、アバランシェフォトダイオード（以下、ＡＰＤ：Avalanche Photo Diodeとする。)が用いられるが、高速性と高検出効率を両立させるために種々の工夫が施される。
【０００４】
バイアス電圧がブレークダウン電圧に満たない通常の動作状態のAPDは、単一光子を検出するには検出効率が不足する。そこで、ブレークダウン電圧(降伏電圧)よりも数Ｖ高いバイアス電圧に設定し、単一光子を検出できる高効率なガイガーモードで使用する。ただし、ガイガーモードは、光子検出後にダークカウントやアフターパルスと呼ばれる光子誤検出信号が生じて、伝送誤り率が増加するという課題がある。
【０００５】
そこで、例えば下記の特許文献１に記載されているように、待機時はＡＰＤバイアス電圧をブレークダウン電圧より低めに設定しておき、光子の到着予定時刻を含む短時間だけブレークダウン電圧を超えるように設定することで、誤検出を低減することができる。このような制御は、光子の送出クロックに同期した周期的なゲートパルスに基づいてバイアス電圧を制御することで可能である。ゲートパルスは、単一光子とは別の光ファイバで伝達するか、あるいは、同じ光ファイバ中に波長の異なる光で多重伝送するなどの方法で送信側から受信側に伝達すればよい。
【０００６】
また、例えば特許文献２の段落［００１０］〜［００１１］などに記載されているように、光子の送出クロック周期を短くすると、誤検出信号の発生確率が高くなることから、送出クロックを単純に高速化することはできないという側面がある。ただ、単一光子源を用いた量子暗号通信では、伝送距離の長距離化に伴ってAPDへの光子到達確率が低くなり、まばらにしか検出されなくなる。そのため、光子検出後にゲートパルスを印加しないデッドタイムを一定時間設けて、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ことで、誤検出の抑制と光子の送出クロックの高速化を両立する方法が考えられている。
【０００７】
図１は、光子検出後にデッドタイムを一定時間設けることで、ＡＰＤでの誤検出を抑制するようにした、従来の光子検出器の構成例である。図１において、１は同期信号源であり、光子の送出クロックに同期したクロック信号を生成する。２はゲートパルス発生器であり、光子の到達予定時刻を含む短時間のみにＡＰＤに電圧を与えるようなゲートパルス３を生成する。ゲートパルス発生器２は、後述するデッドタイム信号発生器１３からのデッドタイム信号１４が入力されている間は、ゲートパルスを出力しない。５はバイアスティーであり、直流電圧源６の電圧とゲートパルス３の和電圧を生成して、ＡＰＤバイアス電圧７ａを出力する。一例としては、直流電圧源６は３５Ｖ、ゲートパルス３は５Ｖ程度である。また、８は光子を検出するＡＰＤである。９は、光子検出時のＡＰＤ８の出力電流を光子検出パルス１０に変換する抵抗器である。パルス検出器１１は光子検出パルス１０を検出して、光子検出信号１２を出力する。デッドタイム信号発生器１３は、パルス検出器１１から光子検出信号１２が出力されると、ゲートパルス３を抑制するためのデッドタイム信号１４を一定時間の間だけ出力する。
【０００８】
図２は、ゲートパルス３の電圧、ＡＰＤバイアス電圧７ａ、デッドタイム信号１４の電圧を、それぞれ、時系列で模式的に示した例である。図中の（Ａ）と（Ａ'）は、ＡＰＤバイアス印加時間であり、光子の到着予定時刻に応じて周期的にＡＰＤバイアス電圧が印加される時間である。（Ｂ）は光子を検出したタイミングであり、（Ｃ）は、（Ｂ）の光子検出の後にゲートパルス３の出力が抑制されているデッドタイムである。光子検出（Ｂ）の直後から一定時間、すなわち、デッドタイム（Ｃ）の間は、デッドタイム信号１４が出力される。その結果、周期的に出力されていたゲートパルス３は、デッドタイム（Ｃ）の間は出力が抑制される。デッドタイム信号１４が低電圧に復帰すると、ゲートパルス３の出力が再開される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−１１４７１２号公報
【特許文献２】特開２００４−２６４０９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
このように、デッドタイム（Ｃ）を設けて、ＡＰＤバイアス電圧７ａを制御すると、ＡＰＤバイアス電圧７ａは、デッドタイム開始時に平均電圧が一旦低下して、図２の（ａ）のように、徐々に電圧が上昇する変化をする。これは、バイアスティー５で、直流電圧源６の電圧と合成するゲートパルス３の平均電圧が変化することに起因する。その結果、図２の（ｂ）に示すように、デッドタイム終了直後のゲートパルス３によってＡＰＤバイアス電圧７ａが過剰に高くなる。
【００１１】
図３は、ＡＰＤバイアス電圧７ａの測定例であり、図３において、（Ａ）は光子の到着予定時刻に応じて周期的にＡＰＤバイアス電圧７ａが印加される期間、（Ｃ）は光子検出後にゲートパルス３の出力が抑制されているデッドタイムである。デッドタイム（Ｃ）の終了直後の図３（ｂ）に過剰なバイアス電圧が生じている。このような過剰なＡＰＤバイアス電圧は、光子の誤検出信号の発生確率を大幅に増加させる。つまり、デッドタイ（Ｃ）ムの間の誤検出を抑制することができるものの、デッドタイム（Ｃ）の終了直後に誤検出を生じてしまうという問題点があった。
【００１２】
本願発明はかかる問題点を解決するためになされたものであり、デッドタイム終了直後に過剰なバイアス電圧が発生することを防止し、誤検出を回避することが可能な、光子検出器、それを用いた量子暗号通信装置、および、光子検出方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、光子を検出するためのＡＰＤを備えた光子検出器であって、光子到着予定時刻に応じた周期的なゲートパルスと直流電圧との和をバイアス電圧として前記ＡＰＤに印加するバイアス電圧印加手段と、前記ＡＰＤが光子を検出した直後の所定時間の間、前記ゲートパルスの出力を抑制し、当該所定時間経過後に前記ゲートパルスの出力を再開させるバイアス電圧制御手段とを備え、前記ゲートパルスが、正パルスと負パルスとが組み合わされた正負のゲートパルスであることを特徴とする光子検出器である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、光子を検出するためのＡＰＤを備えた光子検出器であって、光子到着予定時刻に応じた周期的なゲートパルスと直流電圧との和をバイアス電圧として前記ＡＰＤに印加するバイアス電圧印加手段と、前記ＡＰＤが光子を検出した直後の所定時間の間、前記ゲートパルスの出力を抑制し、当該所定時間経過後に前記ゲートパルスの出力を再開させるバイアス電圧制御手段とを備え、前記ゲートパルスが、正パルスと負パルスとが組み合わされた正負のゲートパルスであることを特徴とする光子検出器であるので、デッドタイム終了直後に過剰なバイアス電圧が発生することを防止し、誤検出を回避することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】従来の光子検出器の構成を示した構成図である。
【図２】従来の光子検出器における各電圧値の変化をグラフで示した説明図である。
【図３】従来の光子検出器におけるＡＰＤバイアス電圧の測定例をグラフで示した説明図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る光子検出器の構成を示した構成図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る光子検出器における各電圧値の変化をグラフで示した説明図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る光子検出器におけるＡＰＤバイアス電圧の測定例をグラフで示した説明図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係る量子暗号通信装置の構成を示した構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
実施の形態１．
図４は、本発明の実施の形態１に係る光子検出器の構成図である。各部の機能、動作、役割を説明する。
【００１７】
図４において、１は同期信号源であり、光子の送出クロックに同期したクロック信号を生成する。２ａは正のゲートパルス発生器であり、同期信号源１からのクロック信号を受けて、光子の到達予定時刻を含む短時間の範囲内に正のゲートパルス３ａを出力する。２ｂは負のゲートパルス発生器であり、同じく同期信号源１からのクロック信号を受けて、光子の到達予定時刻に近い時間帯に負のゲートパルス３ｂを出力する。４は、正のゲートパルス３ａと負のゲートパルス３ｂとを合成して、正負のゲートパルス３ｃを生成する合成器である。正のゲートパルス３ａと負のゲートパルス３ｂとは予め設定された所定の時間差を持たせてあり、正負のゲートパルス３ｃは、正のゲートパルス３ａと負のゲートパルス３ｂとが組み合わさった波形となっている。ここでは、図５に示すように、正のゲートパルス３ａと負のゲートパルス３ｂとが交互になっており、その時間的順序は正のゲートパルス３ａが先の例を説明するが、その場合に限らず、逆の順序でもよい。
【００１８】
正のゲートパルス発生器２ａおよび負のゲートパルス発生器２ｂは、同期信号源１からのクロック信号を受信するとともに、さらに、後述するデッドタイム信号発生器１３からのデッドタイム信号１４も入力される。正のゲートパルス発生器２ａおよび負のゲートパルス発生器２ｂは、当該デッドタイム信号１４が入力されている間は、ゲートパルス３ａ，３ｂを出力しない。このように、以上説明したように、正のゲートパルス発生器２ａ、負のゲートパルス発生器２ｂ、および、合成器４は、正負のゲートパルス３ｃを生成するゲートパルス発生器２'を構成している。また、本発明はこの例に限定されるものではなく、この例と異なる構成で同様の機能を実現することも可能である。
【００１９】
５はバイアスティーであり、それに接続されている直流電圧源６の直流電圧と正負のゲートパルス３ｃとが入力されて、それらの和電圧を生成して、ＡＰＤバイアス電圧７ｂとして出力する。一例としては、直流電圧源６の直流電圧は３５Ｖ、正負のゲートパルス３ｃは±５Ｖ程度である。このように、同期信号源１と、ゲートパルス発生器２'と、直流電圧源６と、バイアスティー５とは、ＡＰＤ８にＡＰＤバイアス電圧７ｂを印加するバイアス電圧印加手段を構成している。
【００２０】
８は、ＡＰＤバイアス電圧７ｂが印加されて、光子を検出するＡＰＤである。９は、光子検出時のＡＰＤ８からの出力電流を光子検出パルス１０に変換する抵抗器である。光子検出パルス１０は、パルス検出器１１で検出されて、光子検出信号１２として出力される。デッドタイム信号発生器１３は、光子検出信号１２がパルス検出器１１から出力されると、それを受けて、予め設定された所定の一定時間が経過するまでの間、ゲートパルスを抑制するためのデッドタイム信号１４を出力する。このように、デッドタイム信号発生器１３は、ＡＰＤ８の光子検出後の所定時間の間、ゲートパルス３ｃの出力を抑制するためのデッドタイム信号１４を出力するとともに、所定時間経過後にデッドタイム信号１４の発生を停止し、ゲートパルス３ｃの出力を再開させるバイアス電圧制御手段を構成している。
【００２１】
図５は、正、負、及び、正負のゲートパルス電圧３ａ，３ｂ，３ｃと、ＡＰＤバイアス電圧７ａと、デッドタイム信号１４の、それぞれの電圧を時系列で模式的に示した例である。図中の（Ａ）と（Ａ'）は、ＡＰＤバイアス電圧印加時間であり、光子の到着予定時刻に応じて周期的にＡＰＤバイアス電圧７ｂが印加される時間である。（Ｂ）は、光子を検出したタイミングであり、当該タイミングの直後から一定時間の間は（Ｃ）のデッドタイム期間で、デッドタイム信号１４が出力される。その結果、周期的に出力されていた正、負、及び、正負のゲートパルス３ａ，３ｂ，３ｃは、デッドタイム期間の一定時間だけ出力が抑制される。一定時間経過後、デッドタイム信号１４が低電圧に復帰すると、正、負、及び、正負のゲートパルス３ａ，３ｂ，３ｃの出力が再開される。正のゲートパルス３ａと負のゲートパルス３ｂとは時間差を持たせてあり、図５に示すように、合成したゲートパルス３ｃは正のパルスと負のパルスが組み合わさった波形となっている。
【００２２】
次に、本実施の形態１に係る光子検出器の動作について説明する。光子検出器においては、図５の（Ａ）のＡＰＤバイアス印加時間の間は、まず、同期信号源１が、図示しない光子出力光源からの光子の送出クロック（光子出力時刻）に同期した周期的なクロック信号を出力する。正のゲートパルス発生器２ａは、同期信号源１からのクロック信号が入力され、当該クロック信号によって検出対象の光子の到達予定時刻（光子の受信予定時刻）を検出することができるので、光子の到達予定時刻を含む時間範囲に正のゲートパルス３ａを出力する。同様に、負のゲートパルス発生器２ｂも、同期信号源１からのクロック信号が入力されるので、それに応じて、正のゲートパルス３ａよりも所定時間差だけ遅れて負のゲートパルス３ｂを出力する。合成器４は、これらの正および負のゲートパルス３ａ，３ｂが入力されて、これらを組み合わせた正負のゲートパルス３ｃを出力する。バイアスティー５は、正負のゲートパルス３ｃと直流電圧源６からの直流電圧との和をＡＰＤバイアス電圧７ｂとしてＡＰＤ８に印加する。これにより、ＡＰＤ８は検出対象の光子を検出する。光子検出時のＡＰＤ８の出力電流は、抵抗器９により、光子検出パルス電圧１０に変換される。光子検出パルス電圧１０は、パルス検出器１１で検出され、光子検出信号１２が出力される。当該光子検出信号１２は光子検出器全体からの出力となり、光子検出信号１２により、検出対象の光子の有無や種別等を判別することができる。以上が、図５の（Ａ）のＡＰＤバイアス印加時間の動作である。
【００２３】
次に、図５の（Ｃ）のデッドタイム期間の動作について説明する。図５の（Ａ）のＡＰＤバイアス印加時間における光子検出信号１２は、上記のように外部に出力されるとともに、デッドタイム信号発生器１３にも入力される。デッドタイム信号発生器１３は、光子検出信号１２を受信することにより、ＡＰＤ８による光子検出のタイミングを検出することができるので、当該光子検出のタイミングの直後からの所定時間（図５の（Ｃ）のデッドタイム期間）の間だけデッドタイム信号１４を出力する。デッドタイム信号１４は正のゲートパルス発生器２ａおよび負のゲートパルス発生器２ｂに入力され、正のゲートパルス発生器２ａおよび負のゲートパルス発生器２ｂは当該デッドタイム信号１４を受信する間はゲートパルス３ａ，３ｂの出力をそれぞれ中止する。従って、合成器４からの出力も中止される。こうして、周期的に出力されていたゲートパルス３ａ，３ｂ，３ｃは、光子検出のタイミングの直後からの所定時間（図５の（Ｃ）のデッドタイム期間）の間だけ出力が抑制される。所定時間が経過すると、デッドタイム信号発生器１３はデッドタイム信号１４の出力を停止する。これにより、正のゲートパルス発生器２ａおよび負のゲートパルス発生器２ｂは、ゲートパルス３ａ，３ｂの出力をそれぞれ再開する。これにより、合成器４からの出力も再開される。このように、デッドタイム期間においては、正のゲートパルス発生器２ａおよび負のゲートパルス発生器２ｂが、ゲートパルス３ａ，３ｂの出力をそれぞれ抑制するため、光子の検出は行わない。以上が、図５の（Ｃ）のデッドタイム期間の動作の説明であり、図５の（Ｃ）のデッドタイム期間終了後は、上述した図５の（Ａ）のＡＰＤバイアス印加時間の動作に戻る。
【００２４】
このように、本発明においては、ゲートパルスを正負のゲートパルス３ｃとし、光子検出後の所定時間の間にデッドタイムを設けてＡＰＤバイアス電圧を制御するようにしたので、ＡＰＤバイアス電圧は、図５に示すＡＰＤバイアス電圧７ｂのように、デッドタイム期間中の電圧が変化することなく安定する。これは、正のゲートパルス３ａと負のゲートパルス３ｂとを組み合わせた正負のゲートパルス３ｃを印加することにより、デッドタイム開始後にＡＰＤバイアス電圧の平均電圧が変化しないためである。
【００２５】
図６は、ＡＰＤバイアス電圧の測定例である。図６の（Ａ）は光子の到着予定時刻に応じて周期的にＡＰＤバイアス電圧７ｂが印加される期間、（Ｃ）は、光子検出後にゲートパルス３ａ，３ｂ，３ｃの出力が抑制されているデッドタイムである。ＡＰＤバイアス電圧７ｂが安定化するために、デッドタイムの終了直後に過剰なＡＰＤバイアス電圧が発生することがなくなり、誤検出を回避することができていることが分かる。
【００２６】
以上のように、本発明の実施の形態１によれば、光子到着予定時刻に応じた周期的なゲートパルス３ｃを発生し、当該ゲートパルス３ｃと直流電圧源６からの直流電圧との和を、ＡＰＤバイアス電圧７ｂとして、ＡＰＤ８に印加するための、同期信号源１、ゲートパルス発生器２'、バイアスティー５、および、直流電圧源６と、ＡＰＤ８による光子検出の結果を示すパルス検出器１１からの信号に応じて、ＡＰＤ８が光子を検出した後の所定時間はゲートパルス３ｃの出力を抑制し、当該所定時間経過後にゲートパルス３ｃの出力を再開させるデッドタイム信号発生器１３とを備えるとともに、ゲートパルス３ｃを、正のゲートパルス３ａと負のゲートパルス３ｂとが組み合わされた正負のゲートパルスであるようにしたため、デッドタイム期間中の電圧が変化することなく安定するので、デッドタイム終了直後に過剰なバイアス電圧が発生することを防止し、誤検出を回避することができ、高速化と高検出効率化とを両立させることができる。
【００２７】
実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２に係る量子暗号通信装置の構成である。図７において、１０１は量子暗号の送信装置であり、信号源１００からの信号を変調する変調器１０３と、光子を出力する単一光子光源１０２とで構成される。変調器１０３は、光の位相を変調するもの、偏波状態を変調するものなどが用いられる。単一光子光源１０２から出力された光子は変調器１０３で変調されて、光ファイバ１０４を経て、受信装置１０５に到達する。
【００２８】
受信装置１０５は、変調信号に応じて光路を振り分ける干渉計１０６と、振り分けられた出力を受信する光子検出器１０７ａ，１０７ｂとを備えている。光子検出器１０７ａ，１０７ｂは、図４に示したような本発明の光子検出器であり、光子を検出して、光子検出信号を出力する。光子検出器１０７ａ，１０７ｂの出力が受信器１０８に入力されて、到達光子の有無と受信信号が判定される。このように、本発明による高速化と高検出効率化を両立した光子検出器１０７ａ，１０７ｂを用いることで、単一光子光源１０２を用いた高速な量子暗号通信装置が提供される。
【００２９】
以上のように、本実施の形態２に係る量子暗号通信装置によれば、光子を出力する単一光子光源１０２と光子を変調する変調器１０３とを備える送信装置１０１と、送信装置１０１から出力された光子を伝送する光ファイバ１０４と、光ファイバ１０４を介して伝送された光子を受信して検出する実施の形態１で示した光子検出器１０７ａ，１０７ｂを備えた受信装置１０５とを備えるようにしたので、上述の実施の形態１と同様の効果が得られ、高速化と高検出効率化を両立した量子暗号通信装置を得ることができる。
【００３０】
なお、実施の形態１および実施の形態２に係る、以上の説明において、ゲートパルス３ａ，３ｂ，３ｃは矩形波形を例にあげて説明しているが、その場合に限らず、本発明において、正弦波などの異なる波形を用いてもよく、その場合も同様な効果が得られることは明白であり、そのような形態も本発明の範疇であることは言うまでもない。
【００３１】
また、実施の形態１および実施の形態２に係る、以上の説明において、正のゲートパルス３ａを発生する正のゲートパルス発生器２ａと負のゲートパルス３ｂを発生する負のゲートパルス発生器２ｂとは、それぞれが独立して、ゲートパルスを生成するブロック構成の例を挙げて説明しているが、その場合に限らず、例えば、本発明において、負のゲートパルス発生器２ｂを設けずに、正のゲートパルス発生器２ａの出力を遅延および反転させて負のゲートパルス３ｂを発生させることも可能であり、そのような別の形態で、負のゲートパルス発生器２ｂを実現してもよく、その場合も同様な効果が得られることは明白であり、そのような形態も本発明の範疇であることは言うまでもない。
【００３２】
さらに、実施の形態１および実施の形態２に係る、以上の説明において、正のゲートパルス３ａと負のゲートパルス３ｂが、デッドタイム信号発生器１３からの出力に応じて、それぞれのゲートパルス３ａ，３ｂの出力を抑制するという例を示しているが、その場合に限らず、本発明において、正負のゲートパルス発生器を別の形態で構成してもよく、その場合も同様な効果が得られることは明白であり、そのような形態も本発明の範疇であることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００３３】
１ 同期信号源、２，２'，２ａ，２ｂ ゲートパルス発生器、３，３ａ，３ｂ，３ｃ ゲートパルス、５ バイアスティー、６ 直流電圧源、７ａ ＡＰＤバイアス電圧、８ ＡＰＤ、９ 抵抗器、１０ 光子検出パルス、１１ パルス検出器、１２ 光子検出信号、１３ デッドタイム信号発生器、１００ 信号源、１０１ 送信装置、１０２ 単一光子光源、１０３ 変調器、１０４ 光ファイバ、１０５ 受信装置、１０６ 干渉計、１０７ａ，１０７ｂ 光子検出器、１０８ 受信器。
【技術分野】
【０００１】
本発明は光子検出器、それを用いた量子暗号通信装置、及び、光子検出方法に関し、高感度な光受信方式、特に、単一光子レベルでの光子検出器、それを用いた量子暗号通信装置、及び、光子検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、量子暗号通信などでは、通信速度の高速化と通信距離の延伸化のため、高速かつ高検出効率な光子受信装置が必要となっている。
【０００３】
量子暗号通信で波長１．５μｍ帯の光子を用いる際には、高感度な光子検出を行うために、アバランシェフォトダイオード（以下、ＡＰＤ：Avalanche Photo Diodeとする。)が用いられるが、高速性と高検出効率を両立させるために種々の工夫が施される。
【０００４】
バイアス電圧がブレークダウン電圧に満たない通常の動作状態のAPDは、単一光子を検出するには検出効率が不足する。そこで、ブレークダウン電圧(降伏電圧)よりも数Ｖ高いバイアス電圧に設定し、単一光子を検出できる高効率なガイガーモードで使用する。ただし、ガイガーモードは、光子検出後にダークカウントやアフターパルスと呼ばれる光子誤検出信号が生じて、伝送誤り率が増加するという課題がある。
【０００５】
そこで、例えば下記の特許文献１に記載されているように、待機時はＡＰＤバイアス電圧をブレークダウン電圧より低めに設定しておき、光子の到着予定時刻を含む短時間だけブレークダウン電圧を超えるように設定することで、誤検出を低減することができる。このような制御は、光子の送出クロックに同期した周期的なゲートパルスに基づいてバイアス電圧を制御することで可能である。ゲートパルスは、単一光子とは別の光ファイバで伝達するか、あるいは、同じ光ファイバ中に波長の異なる光で多重伝送するなどの方法で送信側から受信側に伝達すればよい。
【０００６】
また、例えば特許文献２の段落［００１０］〜［００１１］などに記載されているように、光子の送出クロック周期を短くすると、誤検出信号の発生確率が高くなることから、送出クロックを単純に高速化することはできないという側面がある。ただ、単一光子源を用いた量子暗号通信では、伝送距離の長距離化に伴ってAPDへの光子到達確率が低くなり、まばらにしか検出されなくなる。そのため、光子検出後にゲートパルスを印加しないデッドタイムを一定時間設けて、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ことで、誤検出の抑制と光子の送出クロックの高速化を両立する方法が考えられている。
【０００７】
図１は、光子検出後にデッドタイムを一定時間設けることで、ＡＰＤでの誤検出を抑制するようにした、従来の光子検出器の構成例である。図１において、１は同期信号源であり、光子の送出クロックに同期したクロック信号を生成する。２はゲートパルス発生器であり、光子の到達予定時刻を含む短時間のみにＡＰＤに電圧を与えるようなゲートパルス３を生成する。ゲートパルス発生器２は、後述するデッドタイム信号発生器１３からのデッドタイム信号１４が入力されている間は、ゲートパルスを出力しない。５はバイアスティーであり、直流電圧源６の電圧とゲートパルス３の和電圧を生成して、ＡＰＤバイアス電圧７ａを出力する。一例としては、直流電圧源６は３５Ｖ、ゲートパルス３は５Ｖ程度である。また、８は光子を検出するＡＰＤである。９は、光子検出時のＡＰＤ８の出力電流を光子検出パルス１０に変換する抵抗器である。パルス検出器１１は光子検出パルス１０を検出して、光子検出信号１２を出力する。デッドタイム信号発生器１３は、パルス検出器１１から光子検出信号１２が出力されると、ゲートパルス３を抑制するためのデッドタイム信号１４を一定時間の間だけ出力する。
【０００８】
図２は、ゲートパルス３の電圧、ＡＰＤバイアス電圧７ａ、デッドタイム信号１４の電圧を、それぞれ、時系列で模式的に示した例である。図中の（Ａ）と（Ａ'）は、ＡＰＤバイアス印加時間であり、光子の到着予定時刻に応じて周期的にＡＰＤバイアス電圧が印加される時間である。（Ｂ）は光子を検出したタイミングであり、（Ｃ）は、（Ｂ）の光子検出の後にゲートパルス３の出力が抑制されているデッドタイムである。光子検出（Ｂ）の直後から一定時間、すなわち、デッドタイム（Ｃ）の間は、デッドタイム信号１４が出力される。その結果、周期的に出力されていたゲートパルス３は、デッドタイム（Ｃ）の間は出力が抑制される。デッドタイム信号１４が低電圧に復帰すると、ゲートパルス３の出力が再開される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−１１４７１２号公報
【特許文献２】特開２００４−２６４０９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
このように、デッドタイム（Ｃ）を設けて、ＡＰＤバイアス電圧７ａを制御すると、ＡＰＤバイアス電圧７ａは、デッドタイム開始時に平均電圧が一旦低下して、図２の（ａ）のように、徐々に電圧が上昇する変化をする。これは、バイアスティー５で、直流電圧源６の電圧と合成するゲートパルス３の平均電圧が変化することに起因する。その結果、図２の（ｂ）に示すように、デッドタイム終了直後のゲートパルス３によってＡＰＤバイアス電圧７ａが過剰に高くなる。
【００１１】
図３は、ＡＰＤバイアス電圧７ａの測定例であり、図３において、（Ａ）は光子の到着予定時刻に応じて周期的にＡＰＤバイアス電圧７ａが印加される期間、（Ｃ）は光子検出後にゲートパルス３の出力が抑制されているデッドタイムである。デッドタイム（Ｃ）の終了直後の図３（ｂ）に過剰なバイアス電圧が生じている。このような過剰なＡＰＤバイアス電圧は、光子の誤検出信号の発生確率を大幅に増加させる。つまり、デッドタイ（Ｃ）ムの間の誤検出を抑制することができるものの、デッドタイム（Ｃ）の終了直後に誤検出を生じてしまうという問題点があった。
【００１２】
本願発明はかかる問題点を解決するためになされたものであり、デッドタイム終了直後に過剰なバイアス電圧が発生することを防止し、誤検出を回避することが可能な、光子検出器、それを用いた量子暗号通信装置、および、光子検出方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、光子を検出するためのＡＰＤを備えた光子検出器であって、光子到着予定時刻に応じた周期的なゲートパルスと直流電圧との和をバイアス電圧として前記ＡＰＤに印加するバイアス電圧印加手段と、前記ＡＰＤが光子を検出した直後の所定時間の間、前記ゲートパルスの出力を抑制し、当該所定時間経過後に前記ゲートパルスの出力を再開させるバイアス電圧制御手段とを備え、前記ゲートパルスが、正パルスと負パルスとが組み合わされた正負のゲートパルスであることを特徴とする光子検出器である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、光子を検出するためのＡＰＤを備えた光子検出器であって、光子到着予定時刻に応じた周期的なゲートパルスと直流電圧との和をバイアス電圧として前記ＡＰＤに印加するバイアス電圧印加手段と、前記ＡＰＤが光子を検出した直後の所定時間の間、前記ゲートパルスの出力を抑制し、当該所定時間経過後に前記ゲートパルスの出力を再開させるバイアス電圧制御手段とを備え、前記ゲートパルスが、正パルスと負パルスとが組み合わされた正負のゲートパルスであることを特徴とする光子検出器であるので、デッドタイム終了直後に過剰なバイアス電圧が発生することを防止し、誤検出を回避することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】従来の光子検出器の構成を示した構成図である。
【図２】従来の光子検出器における各電圧値の変化をグラフで示した説明図である。
【図３】従来の光子検出器におけるＡＰＤバイアス電圧の測定例をグラフで示した説明図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る光子検出器の構成を示した構成図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る光子検出器における各電圧値の変化をグラフで示した説明図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る光子検出器におけるＡＰＤバイアス電圧の測定例をグラフで示した説明図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係る量子暗号通信装置の構成を示した構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
実施の形態１．
図４は、本発明の実施の形態１に係る光子検出器の構成図である。各部の機能、動作、役割を説明する。
【００１７】
図４において、１は同期信号源であり、光子の送出クロックに同期したクロック信号を生成する。２ａは正のゲートパルス発生器であり、同期信号源１からのクロック信号を受けて、光子の到達予定時刻を含む短時間の範囲内に正のゲートパルス３ａを出力する。２ｂは負のゲートパルス発生器であり、同じく同期信号源１からのクロック信号を受けて、光子の到達予定時刻に近い時間帯に負のゲートパルス３ｂを出力する。４は、正のゲートパルス３ａと負のゲートパルス３ｂとを合成して、正負のゲートパルス３ｃを生成する合成器である。正のゲートパルス３ａと負のゲートパルス３ｂとは予め設定された所定の時間差を持たせてあり、正負のゲートパルス３ｃは、正のゲートパルス３ａと負のゲートパルス３ｂとが組み合わさった波形となっている。ここでは、図５に示すように、正のゲートパルス３ａと負のゲートパルス３ｂとが交互になっており、その時間的順序は正のゲートパルス３ａが先の例を説明するが、その場合に限らず、逆の順序でもよい。
【００１８】
正のゲートパルス発生器２ａおよび負のゲートパルス発生器２ｂは、同期信号源１からのクロック信号を受信するとともに、さらに、後述するデッドタイム信号発生器１３からのデッドタイム信号１４も入力される。正のゲートパルス発生器２ａおよび負のゲートパルス発生器２ｂは、当該デッドタイム信号１４が入力されている間は、ゲートパルス３ａ，３ｂを出力しない。このように、以上説明したように、正のゲートパルス発生器２ａ、負のゲートパルス発生器２ｂ、および、合成器４は、正負のゲートパルス３ｃを生成するゲートパルス発生器２'を構成している。また、本発明はこの例に限定されるものではなく、この例と異なる構成で同様の機能を実現することも可能である。
【００１９】
５はバイアスティーであり、それに接続されている直流電圧源６の直流電圧と正負のゲートパルス３ｃとが入力されて、それらの和電圧を生成して、ＡＰＤバイアス電圧７ｂとして出力する。一例としては、直流電圧源６の直流電圧は３５Ｖ、正負のゲートパルス３ｃは±５Ｖ程度である。このように、同期信号源１と、ゲートパルス発生器２'と、直流電圧源６と、バイアスティー５とは、ＡＰＤ８にＡＰＤバイアス電圧７ｂを印加するバイアス電圧印加手段を構成している。
【００２０】
８は、ＡＰＤバイアス電圧７ｂが印加されて、光子を検出するＡＰＤである。９は、光子検出時のＡＰＤ８からの出力電流を光子検出パルス１０に変換する抵抗器である。光子検出パルス１０は、パルス検出器１１で検出されて、光子検出信号１２として出力される。デッドタイム信号発生器１３は、光子検出信号１２がパルス検出器１１から出力されると、それを受けて、予め設定された所定の一定時間が経過するまでの間、ゲートパルスを抑制するためのデッドタイム信号１４を出力する。このように、デッドタイム信号発生器１３は、ＡＰＤ８の光子検出後の所定時間の間、ゲートパルス３ｃの出力を抑制するためのデッドタイム信号１４を出力するとともに、所定時間経過後にデッドタイム信号１４の発生を停止し、ゲートパルス３ｃの出力を再開させるバイアス電圧制御手段を構成している。
【００２１】
図５は、正、負、及び、正負のゲートパルス電圧３ａ，３ｂ，３ｃと、ＡＰＤバイアス電圧７ａと、デッドタイム信号１４の、それぞれの電圧を時系列で模式的に示した例である。図中の（Ａ）と（Ａ'）は、ＡＰＤバイアス電圧印加時間であり、光子の到着予定時刻に応じて周期的にＡＰＤバイアス電圧７ｂが印加される時間である。（Ｂ）は、光子を検出したタイミングであり、当該タイミングの直後から一定時間の間は（Ｃ）のデッドタイム期間で、デッドタイム信号１４が出力される。その結果、周期的に出力されていた正、負、及び、正負のゲートパルス３ａ，３ｂ，３ｃは、デッドタイム期間の一定時間だけ出力が抑制される。一定時間経過後、デッドタイム信号１４が低電圧に復帰すると、正、負、及び、正負のゲートパルス３ａ，３ｂ，３ｃの出力が再開される。正のゲートパルス３ａと負のゲートパルス３ｂとは時間差を持たせてあり、図５に示すように、合成したゲートパルス３ｃは正のパルスと負のパルスが組み合わさった波形となっている。
【００２２】
次に、本実施の形態１に係る光子検出器の動作について説明する。光子検出器においては、図５の（Ａ）のＡＰＤバイアス印加時間の間は、まず、同期信号源１が、図示しない光子出力光源からの光子の送出クロック（光子出力時刻）に同期した周期的なクロック信号を出力する。正のゲートパルス発生器２ａは、同期信号源１からのクロック信号が入力され、当該クロック信号によって検出対象の光子の到達予定時刻（光子の受信予定時刻）を検出することができるので、光子の到達予定時刻を含む時間範囲に正のゲートパルス３ａを出力する。同様に、負のゲートパルス発生器２ｂも、同期信号源１からのクロック信号が入力されるので、それに応じて、正のゲートパルス３ａよりも所定時間差だけ遅れて負のゲートパルス３ｂを出力する。合成器４は、これらの正および負のゲートパルス３ａ，３ｂが入力されて、これらを組み合わせた正負のゲートパルス３ｃを出力する。バイアスティー５は、正負のゲートパルス３ｃと直流電圧源６からの直流電圧との和をＡＰＤバイアス電圧７ｂとしてＡＰＤ８に印加する。これにより、ＡＰＤ８は検出対象の光子を検出する。光子検出時のＡＰＤ８の出力電流は、抵抗器９により、光子検出パルス電圧１０に変換される。光子検出パルス電圧１０は、パルス検出器１１で検出され、光子検出信号１２が出力される。当該光子検出信号１２は光子検出器全体からの出力となり、光子検出信号１２により、検出対象の光子の有無や種別等を判別することができる。以上が、図５の（Ａ）のＡＰＤバイアス印加時間の動作である。
【００２３】
次に、図５の（Ｃ）のデッドタイム期間の動作について説明する。図５の（Ａ）のＡＰＤバイアス印加時間における光子検出信号１２は、上記のように外部に出力されるとともに、デッドタイム信号発生器１３にも入力される。デッドタイム信号発生器１３は、光子検出信号１２を受信することにより、ＡＰＤ８による光子検出のタイミングを検出することができるので、当該光子検出のタイミングの直後からの所定時間（図５の（Ｃ）のデッドタイム期間）の間だけデッドタイム信号１４を出力する。デッドタイム信号１４は正のゲートパルス発生器２ａおよび負のゲートパルス発生器２ｂに入力され、正のゲートパルス発生器２ａおよび負のゲートパルス発生器２ｂは当該デッドタイム信号１４を受信する間はゲートパルス３ａ，３ｂの出力をそれぞれ中止する。従って、合成器４からの出力も中止される。こうして、周期的に出力されていたゲートパルス３ａ，３ｂ，３ｃは、光子検出のタイミングの直後からの所定時間（図５の（Ｃ）のデッドタイム期間）の間だけ出力が抑制される。所定時間が経過すると、デッドタイム信号発生器１３はデッドタイム信号１４の出力を停止する。これにより、正のゲートパルス発生器２ａおよび負のゲートパルス発生器２ｂは、ゲートパルス３ａ，３ｂの出力をそれぞれ再開する。これにより、合成器４からの出力も再開される。このように、デッドタイム期間においては、正のゲートパルス発生器２ａおよび負のゲートパルス発生器２ｂが、ゲートパルス３ａ，３ｂの出力をそれぞれ抑制するため、光子の検出は行わない。以上が、図５の（Ｃ）のデッドタイム期間の動作の説明であり、図５の（Ｃ）のデッドタイム期間終了後は、上述した図５の（Ａ）のＡＰＤバイアス印加時間の動作に戻る。
【００２４】
このように、本発明においては、ゲートパルスを正負のゲートパルス３ｃとし、光子検出後の所定時間の間にデッドタイムを設けてＡＰＤバイアス電圧を制御するようにしたので、ＡＰＤバイアス電圧は、図５に示すＡＰＤバイアス電圧７ｂのように、デッドタイム期間中の電圧が変化することなく安定する。これは、正のゲートパルス３ａと負のゲートパルス３ｂとを組み合わせた正負のゲートパルス３ｃを印加することにより、デッドタイム開始後にＡＰＤバイアス電圧の平均電圧が変化しないためである。
【００２５】
図６は、ＡＰＤバイアス電圧の測定例である。図６の（Ａ）は光子の到着予定時刻に応じて周期的にＡＰＤバイアス電圧７ｂが印加される期間、（Ｃ）は、光子検出後にゲートパルス３ａ，３ｂ，３ｃの出力が抑制されているデッドタイムである。ＡＰＤバイアス電圧７ｂが安定化するために、デッドタイムの終了直後に過剰なＡＰＤバイアス電圧が発生することがなくなり、誤検出を回避することができていることが分かる。
【００２６】
以上のように、本発明の実施の形態１によれば、光子到着予定時刻に応じた周期的なゲートパルス３ｃを発生し、当該ゲートパルス３ｃと直流電圧源６からの直流電圧との和を、ＡＰＤバイアス電圧７ｂとして、ＡＰＤ８に印加するための、同期信号源１、ゲートパルス発生器２'、バイアスティー５、および、直流電圧源６と、ＡＰＤ８による光子検出の結果を示すパルス検出器１１からの信号に応じて、ＡＰＤ８が光子を検出した後の所定時間はゲートパルス３ｃの出力を抑制し、当該所定時間経過後にゲートパルス３ｃの出力を再開させるデッドタイム信号発生器１３とを備えるとともに、ゲートパルス３ｃを、正のゲートパルス３ａと負のゲートパルス３ｂとが組み合わされた正負のゲートパルスであるようにしたため、デッドタイム期間中の電圧が変化することなく安定するので、デッドタイム終了直後に過剰なバイアス電圧が発生することを防止し、誤検出を回避することができ、高速化と高検出効率化とを両立させることができる。
【００２７】
実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２に係る量子暗号通信装置の構成である。図７において、１０１は量子暗号の送信装置であり、信号源１００からの信号を変調する変調器１０３と、光子を出力する単一光子光源１０２とで構成される。変調器１０３は、光の位相を変調するもの、偏波状態を変調するものなどが用いられる。単一光子光源１０２から出力された光子は変調器１０３で変調されて、光ファイバ１０４を経て、受信装置１０５に到達する。
【００２８】
受信装置１０５は、変調信号に応じて光路を振り分ける干渉計１０６と、振り分けられた出力を受信する光子検出器１０７ａ，１０７ｂとを備えている。光子検出器１０７ａ，１０７ｂは、図４に示したような本発明の光子検出器であり、光子を検出して、光子検出信号を出力する。光子検出器１０７ａ，１０７ｂの出力が受信器１０８に入力されて、到達光子の有無と受信信号が判定される。このように、本発明による高速化と高検出効率化を両立した光子検出器１０７ａ，１０７ｂを用いることで、単一光子光源１０２を用いた高速な量子暗号通信装置が提供される。
【００２９】
以上のように、本実施の形態２に係る量子暗号通信装置によれば、光子を出力する単一光子光源１０２と光子を変調する変調器１０３とを備える送信装置１０１と、送信装置１０１から出力された光子を伝送する光ファイバ１０４と、光ファイバ１０４を介して伝送された光子を受信して検出する実施の形態１で示した光子検出器１０７ａ，１０７ｂを備えた受信装置１０５とを備えるようにしたので、上述の実施の形態１と同様の効果が得られ、高速化と高検出効率化を両立した量子暗号通信装置を得ることができる。
【００３０】
なお、実施の形態１および実施の形態２に係る、以上の説明において、ゲートパルス３ａ，３ｂ，３ｃは矩形波形を例にあげて説明しているが、その場合に限らず、本発明において、正弦波などの異なる波形を用いてもよく、その場合も同様な効果が得られることは明白であり、そのような形態も本発明の範疇であることは言うまでもない。
【００３１】
また、実施の形態１および実施の形態２に係る、以上の説明において、正のゲートパルス３ａを発生する正のゲートパルス発生器２ａと負のゲートパルス３ｂを発生する負のゲートパルス発生器２ｂとは、それぞれが独立して、ゲートパルスを生成するブロック構成の例を挙げて説明しているが、その場合に限らず、例えば、本発明において、負のゲートパルス発生器２ｂを設けずに、正のゲートパルス発生器２ａの出力を遅延および反転させて負のゲートパルス３ｂを発生させることも可能であり、そのような別の形態で、負のゲートパルス発生器２ｂを実現してもよく、その場合も同様な効果が得られることは明白であり、そのような形態も本発明の範疇であることは言うまでもない。
【００３２】
さらに、実施の形態１および実施の形態２に係る、以上の説明において、正のゲートパルス３ａと負のゲートパルス３ｂが、デッドタイム信号発生器１３からの出力に応じて、それぞれのゲートパルス３ａ，３ｂの出力を抑制するという例を示しているが、その場合に限らず、本発明において、正負のゲートパルス発生器を別の形態で構成してもよく、その場合も同様な効果が得られることは明白であり、そのような形態も本発明の範疇であることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００３３】
１ 同期信号源、２，２'，２ａ，２ｂ ゲートパルス発生器、３，３ａ，３ｂ，３ｃ ゲートパルス、５ バイアスティー、６ 直流電圧源、７ａ ＡＰＤバイアス電圧、８ ＡＰＤ、９ 抵抗器、１０ 光子検出パルス、１１ パルス検出器、１２ 光子検出信号、１３ デッドタイム信号発生器、１００ 信号源、１０１ 送信装置、１０２ 単一光子光源、１０３ 変調器、１０４ 光ファイバ、１０５ 受信装置、１０６ 干渉計、１０７ａ，１０７ｂ 光子検出器、１０８ 受信器。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光子を検出するためのＡＰＤを備えた光子検出器であって、
光子到着予定時刻に応じた周期的なゲートパルスと直流電圧との和をバイアス電圧として前記ＡＰＤに印加するバイアス電圧印加手段と、
前記ＡＰＤが光子を検出した直後の所定時間の間、前記ゲートパルスの出力を抑制し、当該所定時間経過後に前記ゲートパルスの出力を再開させるバイアス電圧制御手段と
を備え、
前記ゲートパルスが、正パルスと負パルスとが組み合わされた正負のゲートパルスである
ことを特徴とする光子検出器。
【請求項２】
前記バイアス電圧印加手段は、
前記光子を出力する出力源の光子出力時刻に同期した周期的な同期信号を供給する同期信号源と、
前記同期信号源からの前記同期信号に応じて、前記正負のゲートパルスを発生するゲートパルス発生器と、
直流電圧を出力する直流電圧源と、
前記ゲートパルス発生器から出力される前記正負のゲートパルスと前記直流電圧源の直流電圧とを合成した電圧を生成し、前記ＡＰＤに前記バイアス電圧として印加するバイアスティーと
を備え、
前記バイアス電圧制御手段は、
前記ＡＰＤが光子を検出したときに、当該検出時直後からの所定時間の間だけ、前記ゲートパルスの出力を抑制するためのデッドタイム信号を出力するデッドタイム信号発生器
を備え、
前記ゲートパルス発生器が、前記デッドタイム信号に応じて、前記ＡＰＤによる光子検出時直後からの所定時間の間は前記正負のゲートパルスの出力を抑制し、当該所定時間経過後に前記正負のゲートパルスの出力を再開する
ことを特徴とする請求項１に記載の光子検出器。
【請求項３】
前記ゲートパルス発生器は、
正のゲートパルスを発生する正のゲートパルス発生器と、
負のゲートパルスを発生する負のゲートパルス発生器と、
前記正のゲートパルス発生器の出力と前記負のゲートパルス発生器の出力とを合成して正負のゲートパルスを生成する合成器と
から構成されており、
前記正のゲートパルスと前記負のゲートパルスとの間には、所定の時間差が設けられている
ことを特徴とする請求項２に記載の光子検出器。
【請求項４】
光子を出力する単一光子光源と前記光子を変調する変調器とを備える送信装置と、
前記送信装置から出力された光子を伝送する光ファイバと、
前記光ファイバを介して伝送された光子を受信して前記光子を検出する光子検出器を備えた受信装置と
を備えた量子暗号通信装置であって、
前記受信装置の前記光子検出器が請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光子検出器である
ことを特徴とする量子暗号通信装置。
【請求項５】
ＡＰＤで光子を検出する光子検出方法であって、
光子到着予定時刻に応じた周期的なゲートパルスを出力させるステップと、
前記ゲートパルスと直流電圧との和をバイアス電圧として前記ＡＰＤに印加するステップと、
前記バイアス電圧の印加を受けて、前記ＡＰＤが検出対象の光子を検出するステップと、
前記ＡＰＤが光子を検出したときに、当該検出の直後の所定時間の間、前記ゲートパルスの出力を抑制するステップと、
前記所定時間の経過後に前記ゲートパルスの出力を再開させるステップと
を備え、
前記ゲートパルスが、正パルスと負パルスとが組み合わされた正負のゲートパルスである
ことを特徴とする光子検出方法。
【請求項１】
光子を検出するためのＡＰＤを備えた光子検出器であって、
光子到着予定時刻に応じた周期的なゲートパルスと直流電圧との和をバイアス電圧として前記ＡＰＤに印加するバイアス電圧印加手段と、
前記ＡＰＤが光子を検出した直後の所定時間の間、前記ゲートパルスの出力を抑制し、当該所定時間経過後に前記ゲートパルスの出力を再開させるバイアス電圧制御手段と
を備え、
前記ゲートパルスが、正パルスと負パルスとが組み合わされた正負のゲートパルスである
ことを特徴とする光子検出器。
【請求項２】
前記バイアス電圧印加手段は、
前記光子を出力する出力源の光子出力時刻に同期した周期的な同期信号を供給する同期信号源と、
前記同期信号源からの前記同期信号に応じて、前記正負のゲートパルスを発生するゲートパルス発生器と、
直流電圧を出力する直流電圧源と、
前記ゲートパルス発生器から出力される前記正負のゲートパルスと前記直流電圧源の直流電圧とを合成した電圧を生成し、前記ＡＰＤに前記バイアス電圧として印加するバイアスティーと
を備え、
前記バイアス電圧制御手段は、
前記ＡＰＤが光子を検出したときに、当該検出時直後からの所定時間の間だけ、前記ゲートパルスの出力を抑制するためのデッドタイム信号を出力するデッドタイム信号発生器
を備え、
前記ゲートパルス発生器が、前記デッドタイム信号に応じて、前記ＡＰＤによる光子検出時直後からの所定時間の間は前記正負のゲートパルスの出力を抑制し、当該所定時間経過後に前記正負のゲートパルスの出力を再開する
ことを特徴とする請求項１に記載の光子検出器。
【請求項３】
前記ゲートパルス発生器は、
正のゲートパルスを発生する正のゲートパルス発生器と、
負のゲートパルスを発生する負のゲートパルス発生器と、
前記正のゲートパルス発生器の出力と前記負のゲートパルス発生器の出力とを合成して正負のゲートパルスを生成する合成器と
から構成されており、
前記正のゲートパルスと前記負のゲートパルスとの間には、所定の時間差が設けられている
ことを特徴とする請求項２に記載の光子検出器。
【請求項４】
光子を出力する単一光子光源と前記光子を変調する変調器とを備える送信装置と、
前記送信装置から出力された光子を伝送する光ファイバと、
前記光ファイバを介して伝送された光子を受信して前記光子を検出する光子検出器を備えた受信装置と
を備えた量子暗号通信装置であって、
前記受信装置の前記光子検出器が請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光子検出器である
ことを特徴とする量子暗号通信装置。
【請求項５】
ＡＰＤで光子を検出する光子検出方法であって、
光子到着予定時刻に応じた周期的なゲートパルスを出力させるステップと、
前記ゲートパルスと直流電圧との和をバイアス電圧として前記ＡＰＤに印加するステップと、
前記バイアス電圧の印加を受けて、前記ＡＰＤが検出対象の光子を検出するステップと、
前記ＡＰＤが光子を検出したときに、当該検出の直後の所定時間の間、前記ゲートパルスの出力を抑制するステップと、
前記所定時間の経過後に前記ゲートパルスの出力を再開させるステップと
を備え、
前記ゲートパルスが、正パルスと負パルスとが組み合わされた正負のゲートパルスである
ことを特徴とする光子検出方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−２８３２６６（Ｐ２０１０−２８３２６６Ａ）
【公開日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１３７１６１（Ｐ２００９−１３７１６１）
【出願日】平成２１年６月８日（２００９．６．８）
【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）平成２０年度、独立行政法人情報通信研究機構、「量子暗号の実用化のための研究開発 課題（イ）」委託研究、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】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月８日（２００９．６．８）
【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）平成２０年度、独立行政法人情報通信研究機構、「量子暗号の実用化のための研究開発 課題（イ）」委託研究、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】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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