JP4146647B2 - 単一光子の検出方法および単一光子の検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単一光子発生源によって出射された単一光子をアバランシェフォトダイオードを用いて検出する単一光子の検出方法および検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の検出方法に従って単一光子を検出可能に構成された検出装置として、図６に示す単一光子検出装置５１が従来から知られている。この単一光子検出装置５１は、単一光子発生源５２によって出射された単一光子（以下、「光子」ともいう）Ｐｈを検出するためのアバランシェフォトダイオード（以下、「ＡＰＤ」ともいう）１１と、ＡＰＤ１１にバイアス電圧Ｖｂを印加するＤＣバイアス電源１２と、単一光子発生源５２によって光子Ｐｈの出射と共に出力されるトリガ信号Ｓｔに同期してパルス電圧ＶｐをＡＰＤ１１に出力するパルスジェネレータ５３と、ＡＰＤ１１によって出力されるパルス信号Ｓｐに基づいて光子Ｐｈの入射有無を検出してその入射数をカウントするカウンタ５４とを備えている。この場合、ＡＰＤ１１は、光ケーブルＯＣを介して単一光子発生源５２に接続されている。また、ＡＰＤ１１は、一例として抵抗を介してアノード端子が接地されると共にカソード端子がＤＣバイアス電源１２およびパルスジェネレータ５３に接続されている。
【０００３】
この単一光子検出装置５１を用いて光子Ｐｈをカウント（検出）する際には、まず、ＤＣバイアス電源１２によってＡＰＤ１１のカソード端子にブレークダウン電圧（図７に示す電圧Ｖ１）を下回る正極性のバイアス電圧Ｖｂ（同図に示す電圧Ｖ２）を印加する。次に、単一光子発生源５２に対して光子Ｐｈを出射させる。この際に、単一光子発生源５２は、トリガ信号Ｓｔを出力すると共に、そのトリガ信号Ｓｔの出力に同期して光子Ｐｈを出射する。これに応じて、パルスジェネレータ５３がトリガ信号Ｓｔに同期して、一例としてパルス幅が１ｎｓ〜２ｎｓのパルス電圧Ｖｐを生成すると共に、生成したパルス電圧ＶｐをＡＰＤ１１のカソード端子に印加する。これにより、図７に示すように、ＤＣバイアス電源１２によって印加されているバイアス電圧Ｖｂにパルスジェネレータ５３から出力されるパルス電圧Ｖｐが合成されることにより、ブレークダウン電圧を超える電圧がＡＰＤ１１のカソード端子に印加される。この状態では、単一光子発生源５２によって出射された光子ＰｈがＡＰＤ１１に入射されることにより、ＡＰＤ１１内で発生したキャリアが増幅されてパルス信号Ｓｐとして出力される。
【０００４】
一方、カウンタ５４は、単一光子発生源５２によって出力されたトリガ信号Ｓｔを入力して、所定のしきい値を超えた出力レベルのパルス信号ＳｐがＡＰＤ１１によって出力されたか否かを検出する検出処理を開始する。この際に、しきい値を超えたパルス信号Ｓｐが出力された際には、光子Ｐｈが入射されたものとして１カウントする。次いで、パルスジェネレータ５３によるパルス電圧Ｖｐの出力が停止された時点で、カソード端子の印加電圧がブレークダウン電圧を下回る。このように、この単一光子検出装置５１では、トリガ信号Ｓｔの出力時（光子Ｐｈの入射が期待される短期間）にのみＡＰＤ１１をアバランシェ降伏させることで、光子Ｐｈの未入射状態では、熱雑音などに起因するＡＰＤ１１によるダークパルス（光子Ｐｈの入射以外の原因でしきい値を超えて出力されるパルス信号Ｓｐ）の出力が低減されている。また、単一光子発生源５２によって出力されるトリガ信号Ｓｔに同期してパルス幅の狭いパルス電圧ＶｐをＡＰＤ１１に印加することで、ＡＰＤ１１がアバランシェ降伏する時間が短縮されるため、ダークパルスの発生がさらに低減されている。したがって、この単一光子検出装置５１によれば、ダークパルスの発生を低減したことにより、このパルス信号Ｓｐの数をカウントすることで、光子Ｐｈの入射数をある程度正確に測定することが可能となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の単一光子検出装置５１による単一光子の検出方法には、以下の問題点がある。すなわち、従来の単一光子の検出方法では、ＡＰＤ１１をアバランシェ降伏させる時間を短縮することで、熱雑音などに起因するダークパルスの発生を低減している。しかしながら、ＡＰＤ１１をアバランシェ降伏させる時間を短縮したとしても、そのアバランシェ降伏時間（１ｎｓ〜２ｎｓ）は、図７に示すように、光子Ｐｈの入射時間（例えば２２ｐｓ）と比較して、非常に長い時間となっている。このため、光子Ｐｈの未入射状態においてダークパルスが出力される可能性が十分に存在する。したがって、従来の単一光子の検出方法には、光子Ｐｈが未入射であるにも拘わらず入射されたと誤って検出することがあるため、その検出精度が低いという問題点がある。
【０００６】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、単一光子の入射を精度良く検出し得る単一光子の検出方法および検出装置を提供することを主目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく請求項１記載の単一光子の検出方法は、アバランシェフォトダイオードのブレークダウン電圧を下回る所定電圧と、単一光子発生源によって単一光子の出射と共に出力されるトリガ信号に同期して生成され前記所定電圧との合成電圧が前記ブレークダウン電圧を上回る第１のパルス電圧とを当該アバランシェフォトダイオードに印加した状態において当該アバランシェフォトダイオードに前記単一光子を入射させ、前記アバランシェフォトダイオードによって出力される出力信号の出力レベルが所定のしきい値を超えたときに前記単一光子の入射を検出する単一光子の検出方法であって、前記トリガ信号の出力から前記第１のパルス電圧の印加までの遅延時間および前記しきい値を順次変更して、前記第１のパルス電圧が印加されて前記単一光子が入射されている期間において隣り合う一対の前記しきい値の間に前記出力レベルが属する前記出力信号の出力回数についての第１波高値分布および当該第１のパルス電圧が印加されて前記単一光子が入射されていない期間において前記隣り合う一対のしきい値の間に前記出力レベルが属する前記出力信号の出力回数についての第２波高値分布を前記変更した各遅延時間毎にそれぞれ測定し、前記第１波高値分布、前記第２波高値分布、および前記しきい値について予め決められた決定基準に基づいて前記各遅延時間毎にＳＮ比をそれぞれ算出し、前記算出したＳＮ比が最大となる遅延時間だけ前記トリガ信号から遅らせて前記アバランシェフォトダイオードに対して印加して前記単一光子の入射を検出する。
【０００８】
請求項２記載の単一光子の検出方法は、請求項１記載の単一光子の検出方法において、前記単一光子発生源に対して所定の周期で前記トリガ信号を出力させると共に前記単一光子を出射させて前記第１波高値分布を測定し、かつ前記所定電圧との合成電圧が前記ブレークダウン電圧を上回る第２のパルス電圧を前記アバランシェフォトダイオードに対して前記単一光子が入射されていない期間において前記所定の周期で繰り返し印加して前記第２波高値分布を測定する。
【０００９】
請求項３記載の単一光子の検出方法は、請求項２記載の単一光子の検出方法において、前記トリガ信号の出力から前記第１のパルス電圧の印加までの遅延時間および前記しきい値を順次変更して、前記第１のパルス電圧の印加状態において前記出力信号の出力レベルが前記各しきい値を超える出力回数についての第１積分波高値分布および前記第２のパルス電圧の印加状態において当該出力信号の出力レベルが前記各しきい値を超える出力回数についての第２積分波高値分布を前記変更した各遅延時間毎にそれぞれ測定し、前記第１積分波高値分布と前記第２積分波高値分布との差分に基づいて前記出力信号のうちの主として前記単一光子の入射に起因して前記出力レベルが前記各しきい値を超える当該出力信号の出力回数についての第３積分波高値分布を算出し、前記第３積分波高値分布に基づいて前記第１波高値分布を算出すると共に前記第２積分波高値分布に基づいて前記第２波高値分布を算出する。
【００１０】
請求項４記載の単一光子の検出方法は、請求項１から３のいずれかに記載の単一光子の検出方法において、前記第１波高値分布および前記第２波高値分布の各包絡線同士の交点に対応する前記しきい値を前記ＳＮ比を算出する際の前記決定基準として規定した。
【００１１】
請求項５記載の単一光子の検出装置は、単一光子発生源によって出射された単一光子が入射されるアバランシェフォトダイオードと、当該アバランシェフォトダイオードにブレークダウン電圧を下回る所定電圧を印加する直流バイアス電源と、前記単一光子発生源によって前記単一光子の出射と共に出力されるトリガ信号に同期し前記所定電圧との合成電圧が前記ブレークダウン電圧を上回る第１のパルス電圧を生成して前記アバランシェフォトダイオードに印加するパルスジェネレータと、前記第１のパルス電圧を印加した状態において前記アバランシェフォトダイオードから出力される出力信号の出力レベルが所定のしきい値を超えるときに検出信号を出力するコンパレータとを備えた単一光子の検出装置であって、イネーブル状態のときに前記コンパレータからの前記検出信号の出力回数をそれぞれカウントする第１および第２カウンタと、前記単一光子発生源に対して所定の周期で前記トリガ信号を出力させると共に当該トリガ信号に対して所定時間だけ遅らせて前記単一光子を出射させ、前記パルスジェネレータに対して前記トリガ信号の入力から前記第１のパルス電圧の印加までの遅延時間を設定すると共に前記アバランシェフォトダイオードへの前記単一光子の未入射期間中において第２のパルス電圧を生成させて前記アバランシェフォトダイオードに印加させ、前記第１のパルス電圧の出力期間中において前記第１カウンタを前記イネーブル状態に移行させると共に前記第２のパルス電圧の出力期間中において前記第２カウンタを前記イネーブル状態に移行させ、かつ前記コンパレータに対して前記しきい値を設定制御する制御部とを備え、当該制御部は、前記遅延時間および前記しきい値を順次変更設定して、前記第１のパルス電圧が印加されて前記単一光子が入射されている期間において隣り合う一対の前記しきい値の間に前記出力レベルが属する前記出力信号の出力回数についての第１波高値分布を前記第１カウンタのカウント値に基づいて前記変更した各遅延時間毎に測定すると共に当該第１のパルス電圧が印加されて前記単一光子が入射されていない期間において前記隣り合う一対のしきい値の間に前記出力レベルが属する前記出力信号の出力回数についての第２波高値分布を前記第２カウンタのカウント値に基づいて前記変更した各遅延時間毎に測定し、前記第１波高値分布、前記第２波高値分布、および前記しきい値について予め決められた決定基準に基づいて各遅延時間毎にＳＮ比をそれぞれ算出し、当該算出したＳＮ比が最大となる遅延時間を前記パルスジェネレータに対する前記遅延時間として設定する。
【００１２】
請求項６記載の単一光子の検出装置は、請求項５記載の単一光子の検出装置において、前記制御部は、前記単一光子発生源に対して所定の周期で前記トリガ信号を出力させると共に前記単一光子を出射させて前記第１波高値分布を測定し、かつ前記所定電圧との合成電圧が前記ブレークダウン電圧を上回る第２のパルス電圧を前記アバランシェフォトダイオードに対して前記単一光子が入射されていない期間において前記所定の周期で繰り返し印加させて前記第２波高値分布を測定する。
【００１３】
請求項７記載の単一光子の検出装置は、請求項６記載の単一光子の検出装置において、前記制御部は、前記トリガ信号の出力から前記第１のパルス電圧の印加までの遅延時間および前記しきい値を順次変更設定して、前記第１のパルス電圧の印加状態において前記出力信号の出力レベルが前記各しきい値を超える出力回数についての第１積分波高値分布および前記第２のパルス電圧の印加状態において当該出力信号の出力レベルが前記各しきい値を超える出力回数についての第２積分波高値分布を前記変更した各遅延時間毎にそれぞれ測定し、前記第１積分波高値分布と前記第２積分波高値分布との差分に基づいて前記出力信号のうちの主として前記単一光子の入射に起因して前記出力レベルが前記各しきい値を超える当該出力信号の出力回数についての第３積分波高値分布を算出し、前記第３積分波高値分布に基づいて前記第１波高値分布を算出すると共に前記第２積分波高値分布に基づいて前記第２波高値分布を算出する。
【００１４】
請求項８記載の単一光子の検出装置は、請求項５から７のいずれかに記載の単一光子の検出装置において、前記制御部は、前記第１波高値分布および前記第２波高値分布の各包絡線同士の交点に対応する前記しきい値を前記ＳＮ比を算出する際の前記決定基準として規定する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る単一光子の検出方法に従って単一光子を検出可能に構成された単一光子検出装置１の好適な実施の形態について説明する。なお、従来の単一光子検出装置５１と同一の構成要素については、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００１６】
単一光子検出装置１は、単一光子発生源２によって出射された光子Ｐｈを検出する装置であって、図１に示すように、ＡＰＤ１１、ＤＣバイアス電源１２、トリガ信号Ｓｔに基づいて第１のパルス電圧Ｖｐ１と第２のパルス電圧Ｖｐ２（以下、特に区別しないときには「パルス電圧Ｖｐ」という）とを生成するパルスジェネレータ１３、コンパレータ１４、第１カウンタ１５、第２カウンタ１６およびＣＰＵ（本発明における制御部）１７を備えている。
【００１７】
この場合、ＡＰＤ１１は、光ケーブルＯＣを介して単一光子発生源２に接続されている。また、ＡＰＤ１１は、パルス電圧Ｖｐの印加直後（アバランシェ降伏の初期時）ほどキャリアの増幅作用が大きく、パルス電圧Ｖｐを印加してから経過時間が長くなるに従いその増幅作用が小さくなる特性を有している。したがって、光子Ｐｈの入射タイミングと、パルス電圧Ｖｐの印加開始タイミング（つまりパルス電圧Ｖｐの立ち上がり付近）とを互いに同期させることで、その光子Ｐｈの入射に伴って発生するキャリアが効率よく増幅される結果、パルス信号Ｓｐ（本発明における出力信号）の出力レベルを大きくすることができる。
【００１８】
パルスジェネレータ１３は、単一光子発生源２によって生成されるトリガ信号Ｓｔが入力されたときには、ＣＰＵ１７によって予め設定された遅延時間Ｔｄ２経過後に第１のパルス電圧Ｖｐ１を生成すると共に、さらにＣＰＵ１７によって予め設定された遅延時間Ｔｄ３経過後に第２のパルス電圧Ｖｐ２（第１のパルス電圧Ｖｐ１と同じ時間幅：一例として１ｎｓ〜２ｎｓ）を生成する。コンパレータ１４は、ＡＰＤ１１によって出力されるパルス信号Ｓｐの出力レベルをＣＰＵ１７によって予め設定されたしきい値Ｖｔｈと比較し、パルス信号Ｓｐの出力レベルがしきい値Ｖｔｈを上回ったときに検出信号Ｓｄを生成して出力する。
【００１９】
第１カウンタ１５は、ＣＰＵ１７によって生成されたイネーブル信号Ｓｅ１が入力されている状態（イネーブル状態）でカウント動作可能となり、検出信号Ｓｄが入力されたときにカウント値をインクリメントする。第２カウンタ１６も同様にして、ＣＰＵ１７によって生成されたイネーブル信号Ｓｅ２が入力されている状態（イネーブル状態）でカウント動作可能となり、検出信号Ｓｄが入力されたときにカウント値をインクリメントする。
【００２０】
ＣＰＵ１７は、内部メモリに予め記憶された動作プログラムに従って動作し、開始信号Ｓｓを生成して単一光子発生源２に出力する。また、ＣＰＵ１７は、パルスジェネレータ１３、コンパレータ１４、第１カウンタ１５および第２カウンタ１６を統括制御する。具体的には、ＣＰＵ１７は、図２に示すように、トリガ信号Ｓｔを入力した際には、所定の遅延時間Ｔｄ４経過後にイネーブル信号Ｓｅ１を生成して第１カウンタ１５に出力すると共に、所定の遅延時間Ｔｄ５経過後にイネーブル信号Ｓｅ２を生成して第２カウンタ１６に出力する。この場合、各遅延時間Ｔｄ４，Ｔｄ５および各イネーブル信号Ｓｅ１，Ｓｅ２のパルス幅は、同図に示すように、イネーブル信号Ｓｅ１の出力期間中にパルスジェネレータ１３によって第１のパルス電圧Ｖｐ１が生成され、かつイネーブル信号Ｓｅ２の出力期間中にパルスジェネレータ１３によって第２のパルス電圧Ｖｐ２が生成されるようにそれぞれ予め設定されている。また、各イネーブル信号Ｓｅ１，Ｓｅ２のパルス幅は、例えば同一に設定されている。さらに、ＣＰＵ１７は、しきい値Ｖｔｈをコンパレータ１４に設定する。また、ＣＰＵ１７は、遅延時間Ｔｄ２，Ｔｄ３に対応する遅延時間データＤｄ２，Ｄｄ３を生成してパルスジェネレータ１３に出力することにより、パルスジェネレータ１３に遅延時間Ｔｄ２，Ｔｄ３を設定する。これらの場合、ＣＰＵ１７は、内部メモリに予め記憶されているしきい値テーブルおよび遅延時間テーブルを参照してしきい値Ｖｔｈおよび遅延時間データＤｄ２，Ｄｄ３を生成する。一例として、しきい値テーブルには、複数のしきい値Ｖｔｈが所定レベル刻みで昇順に配列（記録）されている。同様にして、遅延時間テーブルには、複数の遅延時間Ｔｄ２が昇順（または降順）で配列（記録）されると共に、一種類の遅延時間Ｔｄ３が記録されている。一例として、遅延時間Ｔｄ２の最小値は、後述する遅延時間Ｔｄ１よりも若干短い時間に設定され、遅延時間Ｔｄ２の最大値は、遅延時間Ｔｄ１よりも長い時間に設定されている。また、遅延時間Ｔｄ３は、例えば、開始信号Ｓｓの周期Ｔ１の約１／２に設定されている。なお、テーブルを参照せずに、しきい値Ｖｔｈおよび遅延時間データＤｄ２，Ｄｄ３を演算して生成することも可能である。
【００２１】
次に、単一光子検出装置１によるパルスジェネレータ１３に対する遅延時間Ｔｄ２の最適値およびコンパレータ１４に対するしきい値Ｖｔｈの最適値の算出処理について、図２，３を参照して説明する。なお、この際に使用する単一光子発生源２は、図２に示すように、開始信号Ｓｓを入力したときに、この開始信号Ｓｓに同期してトリガ信号Ｓｔを出力すると共にこのトリガ信号Ｓｔに同期して光子Ｐｈを出射可能に構成されている。また、単一光子発生源２は、トリガ信号Ｓｔに対して光子Ｐｈを上記の遅延時間Ｔｄ１だけ遅延して出力するように設定されている。したがって、パルスジェネレータ１３によるトリガ信号Ｓｔの入力から第１のパルス電圧Ｖｐ１の出力までの遅延時間Ｔｄ２を調整することによって、ＡＰＤ１１に対するパルス電圧Ｖｐ１の印加開始タイミング（つまりパルス電圧Ｖｐ１の立ち上がり）をＡＰＤ１１に対する光子Ｐｈの入射タイミングに対して最適なタイミングに設定することが可能となる。
【００２２】
まず、ＣＰＵ１７は、遅延時間テーブルを参照することによって遅延時間データＤｄ２，Ｄｄ３を生成してパルスジェネレータ１３に出力することにより、パルスジェネレータ１３に対して遅延時間Ｔｄ２，Ｔｄ３を設定する（ステップ３１）。一例として、ＣＰＵ１７は、最初に、遅延時間テーブル内の最小の遅延時間Ｔｄ２をパルスジェネレータ１３に設定する。また、ＣＰＵ１７は、第１カウンタ１５および第２カウンタ１６の各カウント値をリセットする。
【００２３】
次いで、ＣＰＵ１７は、しきい値テーブルを参照することによってしきい値Ｖｔｈを生成し（読み出し）て、コンパレータ１４に設定する（ステップ３２）。
【００２４】
次いで、ＣＰＵ１７は、図２に示すように、開始信号Ｓｓを一定の周期Ｔ１で繰り返し生成して単一光子発生源２に出力する。これにより、単一光子発生源２は、図２に示すように、周期Ｔ１でトリガ信号Ｓｔおよび光子Ｐｈを繰り返し生成して出力する。また、ＣＰＵ１７は、単一光子発生源２によって生成されたトリガ信号Ｓｔが入力される毎に、イネーブル信号Ｓｅ１，Ｓｅ２を生成して第１カウンタ１５および第２カウンタ１６にそれぞれ出力する。一方、パルスジェネレータ１３は、トリガ信号Ｓｔが入力される毎に、第１のパルス電圧Ｖｐ１および第２のパルス電圧Ｖｐ２を生成してＡＰＤ１１に出力する。次いで、ＡＰＤ１１は、各パルス電圧Ｖｐの印加期間だけアバランシェ降伏して、第１のパルス電圧Ｖｐ１の印加期間中においては光子Ｐｈの入射に起因して発生するキャリアおよび熱的なゆらぎ等に起因して発生するキャリア（いわゆる暗電流）を増幅してパルス信号Ｓｐ（ダークパルスを含む）を出力する。また、ＡＰＤ１１は、第２のパルス電圧Ｖｐ２の印加期間中においては熱的なゆらぎ等に起因して発生するキャリア（いわゆる暗電流）を増幅してパルス信号Ｓｐ（ダークパルスのみ）を出力する。この際に、コンパレータ１４は、ＡＰＤ１１によって出力されたパルス信号Ｓｐの電圧レベルとしきい値Ｖｔｈとを比較し、パルス信号Ｓｐの電圧レベルがしきい値Ｖｔｈを上回ったときに検出信号Ｓｄを出力する。次いで、第１カウンタ１５および第２カウンタ１６が、ＣＰＵ１７によって出力された各イネーブル信号Ｓｅ１，Ｓｅ２に基づき、それぞれ第１のパルス電圧Ｖｐ１および第２のパルス電圧Ｖｐ２の出力タイミングに同期して、少なくとも各パルス電圧ＶｐのＡＰＤ１１への印加期間（印加状態）においてイネーブル状態に移行する。このため、第１カウンタ１５は、第１のパルス電圧Ｖｐ１のＡＰＤ１１への印加期間中（印加状態）にイネーブル状態に移行してコンパレータ１４によって生成される検出信号Ｓｄの出力回数をカウントする。一方、第２カウンタ１６は、第２のパルス電圧Ｖｐ２のＡＰＤ１１への印加期間中にイネーブル状態となって光子Ｐｈの未入射期間中における検出信号Ｓｄの出力回数をカウントする（ステップ３３）。
【００２５】
ＣＰＵ１７は、開始信号Ｓｓの出力回数が規定回数に達したか否かを判別し（ステップ３４）、達しないと判別したときにはステップ３３を繰り返し実行する。一方、ＣＰＵ１７は、規定回数に達したと判別したときには、開始信号Ｓｓの出力を停止した後、各カウンタ１５，１６の現在の各カウント値を読み出すと共に現在のしきい値Ｖｔｈに関連付けて内部メモリにそれぞれ記憶する。また、ＣＰＵ１７は、コンパレータ１４に対して設定したしきい値Ｖｔｈがしきい値テーブルに記憶された最大値（上限）に達したか否かを判別する（ステップ３５）。
【００２６】
上限に達していないと判別したときには、ＣＰＵ１７は、ステップ３２に移行して、しきい値テーブルから次のしきい値Ｖｔｈ（次に高いレベルのしきい値Ｖｔｈ）を読み出してコンパレータ１４に設定する（ステップ３２）。ＣＰＵ１７は、ステップ３５においてコンパレータ１４に対して設定したしきい値Ｖｔｈがしきい値テーブルに記憶された最大値（上限）に達したと判別するまで、ステップ３２〜ステップ３５を繰り返し実行して、コンパレータ１４に対するしきい値Ｖｔｈを順次変更設定しつつ、各しきい値Ｖｔｈにおける各カウンタ１５，１６のカウント値を記憶する。この場合、第１カウンタ１５のカウント値は、光子Ｐｈの入射およびＡＰＤ１１の熱的なゆらぎ等にそれぞれ起因して発生した検出信号Ｓｄの出力回数を示し、第２カウンタ１６のカウント値は、ＡＰＤ１１の熱的なゆらぎ等にのみ起因して発生した検出信号Ｓｄ（ダークパルス）の出力回数を示している。したがって、ステップ３２〜ステップ３５を繰り返し実行することにより、図４に示すように、光子Ｐｈの入射およびＡＰＤ１１の熱的なゆらぎ等の双方に起因したパルス信号Ｓｐの出力回数についての第１積分波高値分布と、ＡＰＤ１１の熱的なゆらぎ等にのみ起因したパルス信号Ｓｐの出力回数についての第２積分波高値分布とが測定される（ステップ３６）。
【００２７】
ステップ３５においてコンパレータ１４に対して設定したしきい値Ｖｔｈがしきい値テーブルに記憶された最大値（上限）に達したと判別したときには、ＣＰＵ１７は、第１積分波高値分布と第２積分波高値分布とに基づいて、図５に示すような、純粋に光子Ｐｈの入射に起因して発生するパルス信号Ｓｐの出力回数についての第１波高値分布（第１微分波高値分布ともいう）と、熱的なゆらぎ等に起因して発生するパルス信号Ｓｐ（ダークパルス）の出力回数についての第２波高値分布（第２微分波高値分布ともいう）とを算出する（ステップ３７）。具体的には、ＣＰＵ１７は、第２積分波高値分布に基づき、ｎ番目（ｎは自然数）のしきい値Ｖｔｈ（ｎ）と次の（ｎ＋１）番目のしきい値Ｖｔｈ（ｎ＋１）の各カウント値の差を演算することにより、隣り合う一対のしきい値Ｖｔｈ（ｎ），Ｖｔｈ（ｎ＋１）の間に出力レベルが属するパルス信号Ｓｐ、言い替えれば、その出力レベルがしきい値Ｖｔｈ（ｎ）を超え、かつしきい値Ｖｔｈ（ｎ＋１）以下のパルス信号Ｓｐの出力回数についての第２微分波高値分布を算出する（ステップ３７、図５参照）。また、ＣＰＵ１７は、第１積分波高値分布のカウント値から第２積分波高値分布のカウント値を減算して得られた差分に基づいて、パルス信号Ｓｐのうちの主として光子Ｐｈの入射に起因して出力レベルがしきい値Ｖｔｈを超えるパルス信号Ｓｐの出力回数についての第３積分波高値分布を算出し、その第３積分波高値分布に基づき、ｎ番目（ｎは自然数）のしきい値Ｖｔｈ（ｎ）と次の（ｎ＋１）番目のしきい値Ｖｔｈ（ｎ＋１）の各カウント値の差を演算することにより、隣り合う一対のしきい値Ｖｔｈ（ｎ），Ｖｔｈ（ｎ＋１）の間に出力レベルが属するパルス信号Ｓｐの出力回数についての第１微分波高値分布を算出する（ステップ３７、図５参照）。
【００２８】
次に、ＣＰＵ１７は、算出した第１微分波高値分布および第２微分波高値分布の各包絡線同士の交点に対応するしきい値Ｖｔｈｃを算出すると共に、このしきい値Ｖｔｈｃを超える各しきい値Ｖｔｈのダークパルスの総数Ｎｄ（図５における左下がり斜線を付した部分のカウント値の合計）、および純粋に光子Ｐｈの入射に起因して発生するパルス信号Ｓｐの総数Ｎｐ（図５における右下がり斜線を付した部分のカウント値の合計）を算出し、さらに総数Ｎｐを総数Ｎｄで除算することにより、この遅延時間Ｔｄ２（この例では、最小の遅延時間）を設定して光子Ｐｈの入射検出を行った際のＳＮ比を算出する（ステップ３８）。この場合、第１微分波高値分布および第２微分波高値分布の各包絡線同士の交点に対応するしきい値Ｖｔｈｃをコンパレータ１４の実際のしきい値Ｖｔｈｃとすることにより、光子Ｐｈの入射に起因したパルス信号Ｓｐのカウント値をダークパルスのカウント値よりも常に多くすることができると共に、ダークパルスの影響を最小限に抑えつつ、より多くの光子Ｐｈの入射検出を行うことができる。
【００２９】
次に、ＣＰＵ１７は、パルスジェネレータ１３に対して設定した遅延時間Ｔｄ２が遅延時間テーブルに記憶された最大値（上限）に達したか否かを判別する（ステップ３９）。上限に達していないと判別したときには、ＣＰＵ１７は、ステップ３１に移行して、遅延時間テーブルから次の遅延時間データＤｄ２を読み出してパルスジェネレータ１３に出力することにより、パルスジェネレータ１３に新たな遅延時間Ｔｄ２を設定する。この後、ＣＰＵ１７は、ステップ３１〜ステップ３９を繰り返し実行して、パルスジェネレータ１３に対する遅延時間Ｔｄ２を順次変更設定しながら、各遅延時間Ｔｄ２毎のしきい値ＶｔｈｃおよびＳＮ比を同様にして算出する。
【００３０】
一方、ＣＰＵ１７は、ステップ３９において、パルスジェネレータ１３に対して設定した遅延時間Ｔｄ２が遅延時間テーブルに記憶された最大値（上限）に達したと判別したときには、算出した複数のＳＮ比のうちからＳＮ比が最大となる１つの遅延時間Ｔｄ２を決定する。次いで、ＣＰＵ１７は、この決定した遅延時間Ｔｄ２をパルスジェネレータ１３に対する最適な遅延時間として決定して設定すると共に、この遅延時間Ｔｄ２のときのしきい値Ｖｔｈｃをコンパレータ１４に対する最適なしきい値Ｖｔｈとして決定して設定する（ステップ４０）。
【００３１】
このように、この単一光子検出装置１による単一光子の検出方法によれば、パルスジェネレータ１３に対する最適な遅延時間Ｔｄ２およびコンパレータ１４に対する最適なしきい値Ｖｔｈを設定することにより、ダークパルスの影響の最も少ない状態で光子Ｐｈの入射を検出できる状態に単一光子検出装置１を設定することができるため、高い精度で光子Ｐｈの入射を検出することができる。
【００３２】
なお、本発明は、上記した本発明の実施の形態に示した構成に限定されない。例えば、本発明の実施の形態では、抵抗を介してＡＰＤ１１のアノード端子を接地して、正極性電圧としてのＤＣバイアス電源１２の電圧Ｖ２およびパルスジェネレータ１３のパルス電圧Ｖｐをカソード端子に印加する例を説明したが、本発明はこれに限定されず、抵抗を介してＡＰＤ１１のカソード端子を接地して、負極性電圧としてのＤＣバイアス電源１２の出力電圧およびパルスジェネレータ１３のパルス電圧をアノード端子に印加してもよい。この場合には、ＡＰＤ１１に対するパルス電圧Ｖｐの立ち下がり（印加開始タイミング）と、ＡＰＤ１１に対する光子Ｐｈの入射タイミングとを同期させる。また、本発明の実施の形態では、図３におけるステップ３１〜ステップ３９のループ内で各遅延時間Ｔｄ２毎のＳＮ比を算出する構成を採用したが、ステップ３６，３７において算出した各種データを保存しておき、上記ループから抜けた時点で各遅延時間Ｔｄ２毎のＳＮ比を算出すると共にＳＮ比が最大となる遅延時間Ｔｄ２を算出する構成を採用することもできる。また、本発明の実施の形態では、第１積分波高値分布および第２積分波高値分布を求め、これら各積分波高値分布に基づいて、第１波高値分布および第２波高値分布を算出する構成を採用したが、例えばコンパレータ１４に代えてウィンドウコンパレータを使用すると共に、その出力レベルがしきい値Ｖｔｈ（ｎ）を超え、かつ次のしきい値Ｖｔｈ（ｎ）以下のパルス信号Ｓｐの出力回数を第１カウンタ１５および第２カウンタ１６でカウントする構成を採用することにより、第１積分波高値分布および第２積分波高値分布を測定することなく、第１波高値分布および第２波高値分布を算出することもできる。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、請求項１記載の単一光子の検出方法および請求項５記載の単一光子の検出装置によれば、トリガ信号の出力から第１のパルス電圧の印加までの遅延時間およびしきい値を順次変更して、第１のパルス電圧が印加されて単一光子が入射されている期間において隣り合う一対のしきい値の間に出力レベルが属する出力信号の出力回数についての第１波高値分布および第１のパルス電圧が印加されて単一光子が入射されていない期間において隣り合う一対のしきい値の間に出力レベルが属する出力信号の出力回数についての第２波高値分布を変更した各遅延時間毎にそれぞれ測定し、第１波高値分布、第２波高値分布、およびしきい値について予め決められた決定基準に基づいて各遅延時間毎にＳＮ比をそれぞれ算出し、算出したＳＮ比が最大となる遅延時間だけトリガ信号から遅らせてアバランシェフォトダイオードに対して印加して単一光子を検出することにより、検出可能な単一光子の数をできる限り多くしてダークパルスの影響を最小限に抑えつつ、ＳＮ比が最も良好となるタイミングで第１のパルス電圧をアバランシェフォトダイオードに印加することができる。したがって、単一光子の入射を精度良く検出することができる。
【００３４】
さらに、請求項２記載の単一光子の検出方法および請求項６記載の単一光子の検出装置によれば、単一光子発生源に対して所定の周期でトリガ信号を出力させると共に単一光子を出射させて第１波高値分布を測定し、かつ所定電圧との合成電圧がブレークダウン電圧を上回る第２のパルス電圧をアバランシェフォトダイオードに対して単一光子が入射されていない期間において所定の周期で繰り返し印加して第２波高値分布を測定することにより、一回の測定によって得られた第１波高値分布および第２波高値分布に基づいてＳＮ比が最大となる遅延時間を算出するのと比較して、ＳＮ比が最も良好となる第１のパルス電圧の遅延時間を一層正確に算出することができる。したがって、単一光子の入射を一層精度良く検出することができる。
【００３５】
さらに、請求項３記載の単一光子の検出方法および請求項７記載の単一光子の検出装置によれば、トリガ信号の出力から第１のパルス電圧の印加までの遅延時間およびしきい値を順次変更して、第１のパルス電圧の印加状態において出力信号の出力レベルが各しきい値を超える出力回数についての第１積分波高値分布および第２のパルス電圧の印加状態において出力信号の出力レベルが各しきい値を超える出力回数についての第２積分波高値分布を変更した各遅延時間毎にそれぞれ測定し、第１積分波高値分布と第２積分波高値分布との差分に基づいて出力信号のうちの主として単一光子の入射に起因して出力レベルが各しきい値を超える出力信号の出力回数についての第３積分波高値分布を算出し、第３積分波高値分布に基づいて第１波高値分布を算出すると共に第２積分波高値分布に基づいて第２波高値分布を算出することにより、第１波高値分布および第２波高値分布を直接測定するのと比較して、ノイズによるカウント誤差を軽減することができる。したがって、ＳＮ比が最も良好となる第１のパルス電圧の遅延時間をさらに一層正確に算出することができる。したがって、単一光子の入射をさらに一層精度良く検出することができる。
【００３６】
また、請求項４記載の単一光子の検出方法および請求項８記載の単一光子の検出装置によれば、第１波高値分布および第２波高値分布の各包絡線同士の交点に対応するしきい値をＳＮ比を算出する際の決定基準として規定したことにより、常に単一光子の入射に起因した出力信号の出力回数をダークパルスの入射に起因した出力信号の出力回数よりも上回らせることができる。したがって、ダークパルスの影響を最小限に抑えつつ、単一光子の入射検出率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係る単一光子検出装置１の構成図である。
【図２】 単一光子検出装置１の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図３】 単一光子検出装置１の動作および本発明の実施の形態に係る単一光子の検出方法を説明するためのフローチャートである。
【図４】 しきい値Ｖｔｈをパラメータとして光子Ｐｈの入射状態のときにおける第１積分波高値分布および光子Ｐｈの非入射状態のときにおける第２積分波高値分布を示すグラフである。
【図５】 しきい値Ｖｔｈをパラメータとする光子Ｐｈの第１波高値分布およびダークパルスについての第２積分波高値分布を示すグラフである。
【図６】 従来の単一光子検出装置５１の構成図である。
【図７】 従来の単一光子検出装置５１による単一光子の検出に際して、ＡＰＤ１１に印加電圧を印加するタイミングと光子Ｐｈの入射タイミングとの関係を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１ 単一光子検出装置
２ 単一光子発生源
１１ アバランシェフォトダイオード
１２ ＤＣバイアス電源
１３ パルスジェネレータ
１４ コンパレータ
１５，１６ カウンタ
ＯＣ 光ケーブル
Ｐｈ 光子
Ｓｐ 検出信号
Ｓｓ 開始信号
Ｓｔ トリガ信号
Ｖｂ バイアス電圧
Ｖｐ パルス電圧
【発明の属する技術分野】
本発明は、単一光子発生源によって出射された単一光子をアバランシェフォトダイオードを用いて検出する単一光子の検出方法および検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の検出方法に従って単一光子を検出可能に構成された検出装置として、図６に示す単一光子検出装置５１が従来から知られている。この単一光子検出装置５１は、単一光子発生源５２によって出射された単一光子（以下、「光子」ともいう）Ｐｈを検出するためのアバランシェフォトダイオード（以下、「ＡＰＤ」ともいう）１１と、ＡＰＤ１１にバイアス電圧Ｖｂを印加するＤＣバイアス電源１２と、単一光子発生源５２によって光子Ｐｈの出射と共に出力されるトリガ信号Ｓｔに同期してパルス電圧ＶｐをＡＰＤ１１に出力するパルスジェネレータ５３と、ＡＰＤ１１によって出力されるパルス信号Ｓｐに基づいて光子Ｐｈの入射有無を検出してその入射数をカウントするカウンタ５４とを備えている。この場合、ＡＰＤ１１は、光ケーブルＯＣを介して単一光子発生源５２に接続されている。また、ＡＰＤ１１は、一例として抵抗を介してアノード端子が接地されると共にカソード端子がＤＣバイアス電源１２およびパルスジェネレータ５３に接続されている。
【０００３】
この単一光子検出装置５１を用いて光子Ｐｈをカウント（検出）する際には、まず、ＤＣバイアス電源１２によってＡＰＤ１１のカソード端子にブレークダウン電圧（図７に示す電圧Ｖ１）を下回る正極性のバイアス電圧Ｖｂ（同図に示す電圧Ｖ２）を印加する。次に、単一光子発生源５２に対して光子Ｐｈを出射させる。この際に、単一光子発生源５２は、トリガ信号Ｓｔを出力すると共に、そのトリガ信号Ｓｔの出力に同期して光子Ｐｈを出射する。これに応じて、パルスジェネレータ５３がトリガ信号Ｓｔに同期して、一例としてパルス幅が１ｎｓ〜２ｎｓのパルス電圧Ｖｐを生成すると共に、生成したパルス電圧ＶｐをＡＰＤ１１のカソード端子に印加する。これにより、図７に示すように、ＤＣバイアス電源１２によって印加されているバイアス電圧Ｖｂにパルスジェネレータ５３から出力されるパルス電圧Ｖｐが合成されることにより、ブレークダウン電圧を超える電圧がＡＰＤ１１のカソード端子に印加される。この状態では、単一光子発生源５２によって出射された光子ＰｈがＡＰＤ１１に入射されることにより、ＡＰＤ１１内で発生したキャリアが増幅されてパルス信号Ｓｐとして出力される。
【０００４】
一方、カウンタ５４は、単一光子発生源５２によって出力されたトリガ信号Ｓｔを入力して、所定のしきい値を超えた出力レベルのパルス信号ＳｐがＡＰＤ１１によって出力されたか否かを検出する検出処理を開始する。この際に、しきい値を超えたパルス信号Ｓｐが出力された際には、光子Ｐｈが入射されたものとして１カウントする。次いで、パルスジェネレータ５３によるパルス電圧Ｖｐの出力が停止された時点で、カソード端子の印加電圧がブレークダウン電圧を下回る。このように、この単一光子検出装置５１では、トリガ信号Ｓｔの出力時（光子Ｐｈの入射が期待される短期間）にのみＡＰＤ１１をアバランシェ降伏させることで、光子Ｐｈの未入射状態では、熱雑音などに起因するＡＰＤ１１によるダークパルス（光子Ｐｈの入射以外の原因でしきい値を超えて出力されるパルス信号Ｓｐ）の出力が低減されている。また、単一光子発生源５２によって出力されるトリガ信号Ｓｔに同期してパルス幅の狭いパルス電圧ＶｐをＡＰＤ１１に印加することで、ＡＰＤ１１がアバランシェ降伏する時間が短縮されるため、ダークパルスの発生がさらに低減されている。したがって、この単一光子検出装置５１によれば、ダークパルスの発生を低減したことにより、このパルス信号Ｓｐの数をカウントすることで、光子Ｐｈの入射数をある程度正確に測定することが可能となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の単一光子検出装置５１による単一光子の検出方法には、以下の問題点がある。すなわち、従来の単一光子の検出方法では、ＡＰＤ１１をアバランシェ降伏させる時間を短縮することで、熱雑音などに起因するダークパルスの発生を低減している。しかしながら、ＡＰＤ１１をアバランシェ降伏させる時間を短縮したとしても、そのアバランシェ降伏時間（１ｎｓ〜２ｎｓ）は、図７に示すように、光子Ｐｈの入射時間（例えば２２ｐｓ）と比較して、非常に長い時間となっている。このため、光子Ｐｈの未入射状態においてダークパルスが出力される可能性が十分に存在する。したがって、従来の単一光子の検出方法には、光子Ｐｈが未入射であるにも拘わらず入射されたと誤って検出することがあるため、その検出精度が低いという問題点がある。
【０００６】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、単一光子の入射を精度良く検出し得る単一光子の検出方法および検出装置を提供することを主目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく請求項１記載の単一光子の検出方法は、アバランシェフォトダイオードのブレークダウン電圧を下回る所定電圧と、単一光子発生源によって単一光子の出射と共に出力されるトリガ信号に同期して生成され前記所定電圧との合成電圧が前記ブレークダウン電圧を上回る第１のパルス電圧とを当該アバランシェフォトダイオードに印加した状態において当該アバランシェフォトダイオードに前記単一光子を入射させ、前記アバランシェフォトダイオードによって出力される出力信号の出力レベルが所定のしきい値を超えたときに前記単一光子の入射を検出する単一光子の検出方法であって、前記トリガ信号の出力から前記第１のパルス電圧の印加までの遅延時間および前記しきい値を順次変更して、前記第１のパルス電圧が印加されて前記単一光子が入射されている期間において隣り合う一対の前記しきい値の間に前記出力レベルが属する前記出力信号の出力回数についての第１波高値分布および当該第１のパルス電圧が印加されて前記単一光子が入射されていない期間において前記隣り合う一対のしきい値の間に前記出力レベルが属する前記出力信号の出力回数についての第２波高値分布を前記変更した各遅延時間毎にそれぞれ測定し、前記第１波高値分布、前記第２波高値分布、および前記しきい値について予め決められた決定基準に基づいて前記各遅延時間毎にＳＮ比をそれぞれ算出し、前記算出したＳＮ比が最大となる遅延時間だけ前記トリガ信号から遅らせて前記アバランシェフォトダイオードに対して印加して前記単一光子の入射を検出する。
【０００８】
請求項２記載の単一光子の検出方法は、請求項１記載の単一光子の検出方法において、前記単一光子発生源に対して所定の周期で前記トリガ信号を出力させると共に前記単一光子を出射させて前記第１波高値分布を測定し、かつ前記所定電圧との合成電圧が前記ブレークダウン電圧を上回る第２のパルス電圧を前記アバランシェフォトダイオードに対して前記単一光子が入射されていない期間において前記所定の周期で繰り返し印加して前記第２波高値分布を測定する。
【０００９】
請求項３記載の単一光子の検出方法は、請求項２記載の単一光子の検出方法において、前記トリガ信号の出力から前記第１のパルス電圧の印加までの遅延時間および前記しきい値を順次変更して、前記第１のパルス電圧の印加状態において前記出力信号の出力レベルが前記各しきい値を超える出力回数についての第１積分波高値分布および前記第２のパルス電圧の印加状態において当該出力信号の出力レベルが前記各しきい値を超える出力回数についての第２積分波高値分布を前記変更した各遅延時間毎にそれぞれ測定し、前記第１積分波高値分布と前記第２積分波高値分布との差分に基づいて前記出力信号のうちの主として前記単一光子の入射に起因して前記出力レベルが前記各しきい値を超える当該出力信号の出力回数についての第３積分波高値分布を算出し、前記第３積分波高値分布に基づいて前記第１波高値分布を算出すると共に前記第２積分波高値分布に基づいて前記第２波高値分布を算出する。
【００１０】
請求項４記載の単一光子の検出方法は、請求項１から３のいずれかに記載の単一光子の検出方法において、前記第１波高値分布および前記第２波高値分布の各包絡線同士の交点に対応する前記しきい値を前記ＳＮ比を算出する際の前記決定基準として規定した。
【００１１】
請求項５記載の単一光子の検出装置は、単一光子発生源によって出射された単一光子が入射されるアバランシェフォトダイオードと、当該アバランシェフォトダイオードにブレークダウン電圧を下回る所定電圧を印加する直流バイアス電源と、前記単一光子発生源によって前記単一光子の出射と共に出力されるトリガ信号に同期し前記所定電圧との合成電圧が前記ブレークダウン電圧を上回る第１のパルス電圧を生成して前記アバランシェフォトダイオードに印加するパルスジェネレータと、前記第１のパルス電圧を印加した状態において前記アバランシェフォトダイオードから出力される出力信号の出力レベルが所定のしきい値を超えるときに検出信号を出力するコンパレータとを備えた単一光子の検出装置であって、イネーブル状態のときに前記コンパレータからの前記検出信号の出力回数をそれぞれカウントする第１および第２カウンタと、前記単一光子発生源に対して所定の周期で前記トリガ信号を出力させると共に当該トリガ信号に対して所定時間だけ遅らせて前記単一光子を出射させ、前記パルスジェネレータに対して前記トリガ信号の入力から前記第１のパルス電圧の印加までの遅延時間を設定すると共に前記アバランシェフォトダイオードへの前記単一光子の未入射期間中において第２のパルス電圧を生成させて前記アバランシェフォトダイオードに印加させ、前記第１のパルス電圧の出力期間中において前記第１カウンタを前記イネーブル状態に移行させると共に前記第２のパルス電圧の出力期間中において前記第２カウンタを前記イネーブル状態に移行させ、かつ前記コンパレータに対して前記しきい値を設定制御する制御部とを備え、当該制御部は、前記遅延時間および前記しきい値を順次変更設定して、前記第１のパルス電圧が印加されて前記単一光子が入射されている期間において隣り合う一対の前記しきい値の間に前記出力レベルが属する前記出力信号の出力回数についての第１波高値分布を前記第１カウンタのカウント値に基づいて前記変更した各遅延時間毎に測定すると共に当該第１のパルス電圧が印加されて前記単一光子が入射されていない期間において前記隣り合う一対のしきい値の間に前記出力レベルが属する前記出力信号の出力回数についての第２波高値分布を前記第２カウンタのカウント値に基づいて前記変更した各遅延時間毎に測定し、前記第１波高値分布、前記第２波高値分布、および前記しきい値について予め決められた決定基準に基づいて各遅延時間毎にＳＮ比をそれぞれ算出し、当該算出したＳＮ比が最大となる遅延時間を前記パルスジェネレータに対する前記遅延時間として設定する。
【００１２】
請求項６記載の単一光子の検出装置は、請求項５記載の単一光子の検出装置において、前記制御部は、前記単一光子発生源に対して所定の周期で前記トリガ信号を出力させると共に前記単一光子を出射させて前記第１波高値分布を測定し、かつ前記所定電圧との合成電圧が前記ブレークダウン電圧を上回る第２のパルス電圧を前記アバランシェフォトダイオードに対して前記単一光子が入射されていない期間において前記所定の周期で繰り返し印加させて前記第２波高値分布を測定する。
【００１３】
請求項７記載の単一光子の検出装置は、請求項６記載の単一光子の検出装置において、前記制御部は、前記トリガ信号の出力から前記第１のパルス電圧の印加までの遅延時間および前記しきい値を順次変更設定して、前記第１のパルス電圧の印加状態において前記出力信号の出力レベルが前記各しきい値を超える出力回数についての第１積分波高値分布および前記第２のパルス電圧の印加状態において当該出力信号の出力レベルが前記各しきい値を超える出力回数についての第２積分波高値分布を前記変更した各遅延時間毎にそれぞれ測定し、前記第１積分波高値分布と前記第２積分波高値分布との差分に基づいて前記出力信号のうちの主として前記単一光子の入射に起因して前記出力レベルが前記各しきい値を超える当該出力信号の出力回数についての第３積分波高値分布を算出し、前記第３積分波高値分布に基づいて前記第１波高値分布を算出すると共に前記第２積分波高値分布に基づいて前記第２波高値分布を算出する。
【００１４】
請求項８記載の単一光子の検出装置は、請求項５から７のいずれかに記載の単一光子の検出装置において、前記制御部は、前記第１波高値分布および前記第２波高値分布の各包絡線同士の交点に対応する前記しきい値を前記ＳＮ比を算出する際の前記決定基準として規定する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る単一光子の検出方法に従って単一光子を検出可能に構成された単一光子検出装置１の好適な実施の形態について説明する。なお、従来の単一光子検出装置５１と同一の構成要素については、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
【００１６】
単一光子検出装置１は、単一光子発生源２によって出射された光子Ｐｈを検出する装置であって、図１に示すように、ＡＰＤ１１、ＤＣバイアス電源１２、トリガ信号Ｓｔに基づいて第１のパルス電圧Ｖｐ１と第２のパルス電圧Ｖｐ２（以下、特に区別しないときには「パルス電圧Ｖｐ」という）とを生成するパルスジェネレータ１３、コンパレータ１４、第１カウンタ１５、第２カウンタ１６およびＣＰＵ（本発明における制御部）１７を備えている。
【００１７】
この場合、ＡＰＤ１１は、光ケーブルＯＣを介して単一光子発生源２に接続されている。また、ＡＰＤ１１は、パルス電圧Ｖｐの印加直後（アバランシェ降伏の初期時）ほどキャリアの増幅作用が大きく、パルス電圧Ｖｐを印加してから経過時間が長くなるに従いその増幅作用が小さくなる特性を有している。したがって、光子Ｐｈの入射タイミングと、パルス電圧Ｖｐの印加開始タイミング（つまりパルス電圧Ｖｐの立ち上がり付近）とを互いに同期させることで、その光子Ｐｈの入射に伴って発生するキャリアが効率よく増幅される結果、パルス信号Ｓｐ（本発明における出力信号）の出力レベルを大きくすることができる。
【００１８】
パルスジェネレータ１３は、単一光子発生源２によって生成されるトリガ信号Ｓｔが入力されたときには、ＣＰＵ１７によって予め設定された遅延時間Ｔｄ２経過後に第１のパルス電圧Ｖｐ１を生成すると共に、さらにＣＰＵ１７によって予め設定された遅延時間Ｔｄ３経過後に第２のパルス電圧Ｖｐ２（第１のパルス電圧Ｖｐ１と同じ時間幅：一例として１ｎｓ〜２ｎｓ）を生成する。コンパレータ１４は、ＡＰＤ１１によって出力されるパルス信号Ｓｐの出力レベルをＣＰＵ１７によって予め設定されたしきい値Ｖｔｈと比較し、パルス信号Ｓｐの出力レベルがしきい値Ｖｔｈを上回ったときに検出信号Ｓｄを生成して出力する。
【００１９】
第１カウンタ１５は、ＣＰＵ１７によって生成されたイネーブル信号Ｓｅ１が入力されている状態（イネーブル状態）でカウント動作可能となり、検出信号Ｓｄが入力されたときにカウント値をインクリメントする。第２カウンタ１６も同様にして、ＣＰＵ１７によって生成されたイネーブル信号Ｓｅ２が入力されている状態（イネーブル状態）でカウント動作可能となり、検出信号Ｓｄが入力されたときにカウント値をインクリメントする。
【００２０】
ＣＰＵ１７は、内部メモリに予め記憶された動作プログラムに従って動作し、開始信号Ｓｓを生成して単一光子発生源２に出力する。また、ＣＰＵ１７は、パルスジェネレータ１３、コンパレータ１４、第１カウンタ１５および第２カウンタ１６を統括制御する。具体的には、ＣＰＵ１７は、図２に示すように、トリガ信号Ｓｔを入力した際には、所定の遅延時間Ｔｄ４経過後にイネーブル信号Ｓｅ１を生成して第１カウンタ１５に出力すると共に、所定の遅延時間Ｔｄ５経過後にイネーブル信号Ｓｅ２を生成して第２カウンタ１６に出力する。この場合、各遅延時間Ｔｄ４，Ｔｄ５および各イネーブル信号Ｓｅ１，Ｓｅ２のパルス幅は、同図に示すように、イネーブル信号Ｓｅ１の出力期間中にパルスジェネレータ１３によって第１のパルス電圧Ｖｐ１が生成され、かつイネーブル信号Ｓｅ２の出力期間中にパルスジェネレータ１３によって第２のパルス電圧Ｖｐ２が生成されるようにそれぞれ予め設定されている。また、各イネーブル信号Ｓｅ１，Ｓｅ２のパルス幅は、例えば同一に設定されている。さらに、ＣＰＵ１７は、しきい値Ｖｔｈをコンパレータ１４に設定する。また、ＣＰＵ１７は、遅延時間Ｔｄ２，Ｔｄ３に対応する遅延時間データＤｄ２，Ｄｄ３を生成してパルスジェネレータ１３に出力することにより、パルスジェネレータ１３に遅延時間Ｔｄ２，Ｔｄ３を設定する。これらの場合、ＣＰＵ１７は、内部メモリに予め記憶されているしきい値テーブルおよび遅延時間テーブルを参照してしきい値Ｖｔｈおよび遅延時間データＤｄ２，Ｄｄ３を生成する。一例として、しきい値テーブルには、複数のしきい値Ｖｔｈが所定レベル刻みで昇順に配列（記録）されている。同様にして、遅延時間テーブルには、複数の遅延時間Ｔｄ２が昇順（または降順）で配列（記録）されると共に、一種類の遅延時間Ｔｄ３が記録されている。一例として、遅延時間Ｔｄ２の最小値は、後述する遅延時間Ｔｄ１よりも若干短い時間に設定され、遅延時間Ｔｄ２の最大値は、遅延時間Ｔｄ１よりも長い時間に設定されている。また、遅延時間Ｔｄ３は、例えば、開始信号Ｓｓの周期Ｔ１の約１／２に設定されている。なお、テーブルを参照せずに、しきい値Ｖｔｈおよび遅延時間データＤｄ２，Ｄｄ３を演算して生成することも可能である。
【００２１】
次に、単一光子検出装置１によるパルスジェネレータ１３に対する遅延時間Ｔｄ２の最適値およびコンパレータ１４に対するしきい値Ｖｔｈの最適値の算出処理について、図２，３を参照して説明する。なお、この際に使用する単一光子発生源２は、図２に示すように、開始信号Ｓｓを入力したときに、この開始信号Ｓｓに同期してトリガ信号Ｓｔを出力すると共にこのトリガ信号Ｓｔに同期して光子Ｐｈを出射可能に構成されている。また、単一光子発生源２は、トリガ信号Ｓｔに対して光子Ｐｈを上記の遅延時間Ｔｄ１だけ遅延して出力するように設定されている。したがって、パルスジェネレータ１３によるトリガ信号Ｓｔの入力から第１のパルス電圧Ｖｐ１の出力までの遅延時間Ｔｄ２を調整することによって、ＡＰＤ１１に対するパルス電圧Ｖｐ１の印加開始タイミング（つまりパルス電圧Ｖｐ１の立ち上がり）をＡＰＤ１１に対する光子Ｐｈの入射タイミングに対して最適なタイミングに設定することが可能となる。
【００２２】
まず、ＣＰＵ１７は、遅延時間テーブルを参照することによって遅延時間データＤｄ２，Ｄｄ３を生成してパルスジェネレータ１３に出力することにより、パルスジェネレータ１３に対して遅延時間Ｔｄ２，Ｔｄ３を設定する（ステップ３１）。一例として、ＣＰＵ１７は、最初に、遅延時間テーブル内の最小の遅延時間Ｔｄ２をパルスジェネレータ１３に設定する。また、ＣＰＵ１７は、第１カウンタ１５および第２カウンタ１６の各カウント値をリセットする。
【００２３】
次いで、ＣＰＵ１７は、しきい値テーブルを参照することによってしきい値Ｖｔｈを生成し（読み出し）て、コンパレータ１４に設定する（ステップ３２）。
【００２４】
次いで、ＣＰＵ１７は、図２に示すように、開始信号Ｓｓを一定の周期Ｔ１で繰り返し生成して単一光子発生源２に出力する。これにより、単一光子発生源２は、図２に示すように、周期Ｔ１でトリガ信号Ｓｔおよび光子Ｐｈを繰り返し生成して出力する。また、ＣＰＵ１７は、単一光子発生源２によって生成されたトリガ信号Ｓｔが入力される毎に、イネーブル信号Ｓｅ１，Ｓｅ２を生成して第１カウンタ１５および第２カウンタ１６にそれぞれ出力する。一方、パルスジェネレータ１３は、トリガ信号Ｓｔが入力される毎に、第１のパルス電圧Ｖｐ１および第２のパルス電圧Ｖｐ２を生成してＡＰＤ１１に出力する。次いで、ＡＰＤ１１は、各パルス電圧Ｖｐの印加期間だけアバランシェ降伏して、第１のパルス電圧Ｖｐ１の印加期間中においては光子Ｐｈの入射に起因して発生するキャリアおよび熱的なゆらぎ等に起因して発生するキャリア（いわゆる暗電流）を増幅してパルス信号Ｓｐ（ダークパルスを含む）を出力する。また、ＡＰＤ１１は、第２のパルス電圧Ｖｐ２の印加期間中においては熱的なゆらぎ等に起因して発生するキャリア（いわゆる暗電流）を増幅してパルス信号Ｓｐ（ダークパルスのみ）を出力する。この際に、コンパレータ１４は、ＡＰＤ１１によって出力されたパルス信号Ｓｐの電圧レベルとしきい値Ｖｔｈとを比較し、パルス信号Ｓｐの電圧レベルがしきい値Ｖｔｈを上回ったときに検出信号Ｓｄを出力する。次いで、第１カウンタ１５および第２カウンタ１６が、ＣＰＵ１７によって出力された各イネーブル信号Ｓｅ１，Ｓｅ２に基づき、それぞれ第１のパルス電圧Ｖｐ１および第２のパルス電圧Ｖｐ２の出力タイミングに同期して、少なくとも各パルス電圧ＶｐのＡＰＤ１１への印加期間（印加状態）においてイネーブル状態に移行する。このため、第１カウンタ１５は、第１のパルス電圧Ｖｐ１のＡＰＤ１１への印加期間中（印加状態）にイネーブル状態に移行してコンパレータ１４によって生成される検出信号Ｓｄの出力回数をカウントする。一方、第２カウンタ１６は、第２のパルス電圧Ｖｐ２のＡＰＤ１１への印加期間中にイネーブル状態となって光子Ｐｈの未入射期間中における検出信号Ｓｄの出力回数をカウントする（ステップ３３）。
【００２５】
ＣＰＵ１７は、開始信号Ｓｓの出力回数が規定回数に達したか否かを判別し（ステップ３４）、達しないと判別したときにはステップ３３を繰り返し実行する。一方、ＣＰＵ１７は、規定回数に達したと判別したときには、開始信号Ｓｓの出力を停止した後、各カウンタ１５，１６の現在の各カウント値を読み出すと共に現在のしきい値Ｖｔｈに関連付けて内部メモリにそれぞれ記憶する。また、ＣＰＵ１７は、コンパレータ１４に対して設定したしきい値Ｖｔｈがしきい値テーブルに記憶された最大値（上限）に達したか否かを判別する（ステップ３５）。
【００２６】
上限に達していないと判別したときには、ＣＰＵ１７は、ステップ３２に移行して、しきい値テーブルから次のしきい値Ｖｔｈ（次に高いレベルのしきい値Ｖｔｈ）を読み出してコンパレータ１４に設定する（ステップ３２）。ＣＰＵ１７は、ステップ３５においてコンパレータ１４に対して設定したしきい値Ｖｔｈがしきい値テーブルに記憶された最大値（上限）に達したと判別するまで、ステップ３２〜ステップ３５を繰り返し実行して、コンパレータ１４に対するしきい値Ｖｔｈを順次変更設定しつつ、各しきい値Ｖｔｈにおける各カウンタ１５，１６のカウント値を記憶する。この場合、第１カウンタ１５のカウント値は、光子Ｐｈの入射およびＡＰＤ１１の熱的なゆらぎ等にそれぞれ起因して発生した検出信号Ｓｄの出力回数を示し、第２カウンタ１６のカウント値は、ＡＰＤ１１の熱的なゆらぎ等にのみ起因して発生した検出信号Ｓｄ（ダークパルス）の出力回数を示している。したがって、ステップ３２〜ステップ３５を繰り返し実行することにより、図４に示すように、光子Ｐｈの入射およびＡＰＤ１１の熱的なゆらぎ等の双方に起因したパルス信号Ｓｐの出力回数についての第１積分波高値分布と、ＡＰＤ１１の熱的なゆらぎ等にのみ起因したパルス信号Ｓｐの出力回数についての第２積分波高値分布とが測定される（ステップ３６）。
【００２７】
ステップ３５においてコンパレータ１４に対して設定したしきい値Ｖｔｈがしきい値テーブルに記憶された最大値（上限）に達したと判別したときには、ＣＰＵ１７は、第１積分波高値分布と第２積分波高値分布とに基づいて、図５に示すような、純粋に光子Ｐｈの入射に起因して発生するパルス信号Ｓｐの出力回数についての第１波高値分布（第１微分波高値分布ともいう）と、熱的なゆらぎ等に起因して発生するパルス信号Ｓｐ（ダークパルス）の出力回数についての第２波高値分布（第２微分波高値分布ともいう）とを算出する（ステップ３７）。具体的には、ＣＰＵ１７は、第２積分波高値分布に基づき、ｎ番目（ｎは自然数）のしきい値Ｖｔｈ（ｎ）と次の（ｎ＋１）番目のしきい値Ｖｔｈ（ｎ＋１）の各カウント値の差を演算することにより、隣り合う一対のしきい値Ｖｔｈ（ｎ），Ｖｔｈ（ｎ＋１）の間に出力レベルが属するパルス信号Ｓｐ、言い替えれば、その出力レベルがしきい値Ｖｔｈ（ｎ）を超え、かつしきい値Ｖｔｈ（ｎ＋１）以下のパルス信号Ｓｐの出力回数についての第２微分波高値分布を算出する（ステップ３７、図５参照）。また、ＣＰＵ１７は、第１積分波高値分布のカウント値から第２積分波高値分布のカウント値を減算して得られた差分に基づいて、パルス信号Ｓｐのうちの主として光子Ｐｈの入射に起因して出力レベルがしきい値Ｖｔｈを超えるパルス信号Ｓｐの出力回数についての第３積分波高値分布を算出し、その第３積分波高値分布に基づき、ｎ番目（ｎは自然数）のしきい値Ｖｔｈ（ｎ）と次の（ｎ＋１）番目のしきい値Ｖｔｈ（ｎ＋１）の各カウント値の差を演算することにより、隣り合う一対のしきい値Ｖｔｈ（ｎ），Ｖｔｈ（ｎ＋１）の間に出力レベルが属するパルス信号Ｓｐの出力回数についての第１微分波高値分布を算出する（ステップ３７、図５参照）。
【００２８】
次に、ＣＰＵ１７は、算出した第１微分波高値分布および第２微分波高値分布の各包絡線同士の交点に対応するしきい値Ｖｔｈｃを算出すると共に、このしきい値Ｖｔｈｃを超える各しきい値Ｖｔｈのダークパルスの総数Ｎｄ（図５における左下がり斜線を付した部分のカウント値の合計）、および純粋に光子Ｐｈの入射に起因して発生するパルス信号Ｓｐの総数Ｎｐ（図５における右下がり斜線を付した部分のカウント値の合計）を算出し、さらに総数Ｎｐを総数Ｎｄで除算することにより、この遅延時間Ｔｄ２（この例では、最小の遅延時間）を設定して光子Ｐｈの入射検出を行った際のＳＮ比を算出する（ステップ３８）。この場合、第１微分波高値分布および第２微分波高値分布の各包絡線同士の交点に対応するしきい値Ｖｔｈｃをコンパレータ１４の実際のしきい値Ｖｔｈｃとすることにより、光子Ｐｈの入射に起因したパルス信号Ｓｐのカウント値をダークパルスのカウント値よりも常に多くすることができると共に、ダークパルスの影響を最小限に抑えつつ、より多くの光子Ｐｈの入射検出を行うことができる。
【００２９】
次に、ＣＰＵ１７は、パルスジェネレータ１３に対して設定した遅延時間Ｔｄ２が遅延時間テーブルに記憶された最大値（上限）に達したか否かを判別する（ステップ３９）。上限に達していないと判別したときには、ＣＰＵ１７は、ステップ３１に移行して、遅延時間テーブルから次の遅延時間データＤｄ２を読み出してパルスジェネレータ１３に出力することにより、パルスジェネレータ１３に新たな遅延時間Ｔｄ２を設定する。この後、ＣＰＵ１７は、ステップ３１〜ステップ３９を繰り返し実行して、パルスジェネレータ１３に対する遅延時間Ｔｄ２を順次変更設定しながら、各遅延時間Ｔｄ２毎のしきい値ＶｔｈｃおよびＳＮ比を同様にして算出する。
【００３０】
一方、ＣＰＵ１７は、ステップ３９において、パルスジェネレータ１３に対して設定した遅延時間Ｔｄ２が遅延時間テーブルに記憶された最大値（上限）に達したと判別したときには、算出した複数のＳＮ比のうちからＳＮ比が最大となる１つの遅延時間Ｔｄ２を決定する。次いで、ＣＰＵ１７は、この決定した遅延時間Ｔｄ２をパルスジェネレータ１３に対する最適な遅延時間として決定して設定すると共に、この遅延時間Ｔｄ２のときのしきい値Ｖｔｈｃをコンパレータ１４に対する最適なしきい値Ｖｔｈとして決定して設定する（ステップ４０）。
【００３１】
このように、この単一光子検出装置１による単一光子の検出方法によれば、パルスジェネレータ１３に対する最適な遅延時間Ｔｄ２およびコンパレータ１４に対する最適なしきい値Ｖｔｈを設定することにより、ダークパルスの影響の最も少ない状態で光子Ｐｈの入射を検出できる状態に単一光子検出装置１を設定することができるため、高い精度で光子Ｐｈの入射を検出することができる。
【００３２】
なお、本発明は、上記した本発明の実施の形態に示した構成に限定されない。例えば、本発明の実施の形態では、抵抗を介してＡＰＤ１１のアノード端子を接地して、正極性電圧としてのＤＣバイアス電源１２の電圧Ｖ２およびパルスジェネレータ１３のパルス電圧Ｖｐをカソード端子に印加する例を説明したが、本発明はこれに限定されず、抵抗を介してＡＰＤ１１のカソード端子を接地して、負極性電圧としてのＤＣバイアス電源１２の出力電圧およびパルスジェネレータ１３のパルス電圧をアノード端子に印加してもよい。この場合には、ＡＰＤ１１に対するパルス電圧Ｖｐの立ち下がり（印加開始タイミング）と、ＡＰＤ１１に対する光子Ｐｈの入射タイミングとを同期させる。また、本発明の実施の形態では、図３におけるステップ３１〜ステップ３９のループ内で各遅延時間Ｔｄ２毎のＳＮ比を算出する構成を採用したが、ステップ３６，３７において算出した各種データを保存しておき、上記ループから抜けた時点で各遅延時間Ｔｄ２毎のＳＮ比を算出すると共にＳＮ比が最大となる遅延時間Ｔｄ２を算出する構成を採用することもできる。また、本発明の実施の形態では、第１積分波高値分布および第２積分波高値分布を求め、これら各積分波高値分布に基づいて、第１波高値分布および第２波高値分布を算出する構成を採用したが、例えばコンパレータ１４に代えてウィンドウコンパレータを使用すると共に、その出力レベルがしきい値Ｖｔｈ（ｎ）を超え、かつ次のしきい値Ｖｔｈ（ｎ）以下のパルス信号Ｓｐの出力回数を第１カウンタ１５および第２カウンタ１６でカウントする構成を採用することにより、第１積分波高値分布および第２積分波高値分布を測定することなく、第１波高値分布および第２波高値分布を算出することもできる。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、請求項１記載の単一光子の検出方法および請求項５記載の単一光子の検出装置によれば、トリガ信号の出力から第１のパルス電圧の印加までの遅延時間およびしきい値を順次変更して、第１のパルス電圧が印加されて単一光子が入射されている期間において隣り合う一対のしきい値の間に出力レベルが属する出力信号の出力回数についての第１波高値分布および第１のパルス電圧が印加されて単一光子が入射されていない期間において隣り合う一対のしきい値の間に出力レベルが属する出力信号の出力回数についての第２波高値分布を変更した各遅延時間毎にそれぞれ測定し、第１波高値分布、第２波高値分布、およびしきい値について予め決められた決定基準に基づいて各遅延時間毎にＳＮ比をそれぞれ算出し、算出したＳＮ比が最大となる遅延時間だけトリガ信号から遅らせてアバランシェフォトダイオードに対して印加して単一光子を検出することにより、検出可能な単一光子の数をできる限り多くしてダークパルスの影響を最小限に抑えつつ、ＳＮ比が最も良好となるタイミングで第１のパルス電圧をアバランシェフォトダイオードに印加することができる。したがって、単一光子の入射を精度良く検出することができる。
【００３４】
さらに、請求項２記載の単一光子の検出方法および請求項６記載の単一光子の検出装置によれば、単一光子発生源に対して所定の周期でトリガ信号を出力させると共に単一光子を出射させて第１波高値分布を測定し、かつ所定電圧との合成電圧がブレークダウン電圧を上回る第２のパルス電圧をアバランシェフォトダイオードに対して単一光子が入射されていない期間において所定の周期で繰り返し印加して第２波高値分布を測定することにより、一回の測定によって得られた第１波高値分布および第２波高値分布に基づいてＳＮ比が最大となる遅延時間を算出するのと比較して、ＳＮ比が最も良好となる第１のパルス電圧の遅延時間を一層正確に算出することができる。したがって、単一光子の入射を一層精度良く検出することができる。
【００３５】
さらに、請求項３記載の単一光子の検出方法および請求項７記載の単一光子の検出装置によれば、トリガ信号の出力から第１のパルス電圧の印加までの遅延時間およびしきい値を順次変更して、第１のパルス電圧の印加状態において出力信号の出力レベルが各しきい値を超える出力回数についての第１積分波高値分布および第２のパルス電圧の印加状態において出力信号の出力レベルが各しきい値を超える出力回数についての第２積分波高値分布を変更した各遅延時間毎にそれぞれ測定し、第１積分波高値分布と第２積分波高値分布との差分に基づいて出力信号のうちの主として単一光子の入射に起因して出力レベルが各しきい値を超える出力信号の出力回数についての第３積分波高値分布を算出し、第３積分波高値分布に基づいて第１波高値分布を算出すると共に第２積分波高値分布に基づいて第２波高値分布を算出することにより、第１波高値分布および第２波高値分布を直接測定するのと比較して、ノイズによるカウント誤差を軽減することができる。したがって、ＳＮ比が最も良好となる第１のパルス電圧の遅延時間をさらに一層正確に算出することができる。したがって、単一光子の入射をさらに一層精度良く検出することができる。
【００３６】
また、請求項４記載の単一光子の検出方法および請求項８記載の単一光子の検出装置によれば、第１波高値分布および第２波高値分布の各包絡線同士の交点に対応するしきい値をＳＮ比を算出する際の決定基準として規定したことにより、常に単一光子の入射に起因した出力信号の出力回数をダークパルスの入射に起因した出力信号の出力回数よりも上回らせることができる。したがって、ダークパルスの影響を最小限に抑えつつ、単一光子の入射検出率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係る単一光子検出装置１の構成図である。
【図２】 単一光子検出装置１の動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図３】 単一光子検出装置１の動作および本発明の実施の形態に係る単一光子の検出方法を説明するためのフローチャートである。
【図４】 しきい値Ｖｔｈをパラメータとして光子Ｐｈの入射状態のときにおける第１積分波高値分布および光子Ｐｈの非入射状態のときにおける第２積分波高値分布を示すグラフである。
【図５】 しきい値Ｖｔｈをパラメータとする光子Ｐｈの第１波高値分布およびダークパルスについての第２積分波高値分布を示すグラフである。
【図６】 従来の単一光子検出装置５１の構成図である。
【図７】 従来の単一光子検出装置５１による単一光子の検出に際して、ＡＰＤ１１に印加電圧を印加するタイミングと光子Ｐｈの入射タイミングとの関係を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１ 単一光子検出装置
２ 単一光子発生源
１１ アバランシェフォトダイオード
１２ ＤＣバイアス電源
１３ パルスジェネレータ
１４ コンパレータ
１５，１６ カウンタ
ＯＣ 光ケーブル
Ｐｈ 光子
Ｓｐ 検出信号
Ｓｓ 開始信号
Ｓｔ トリガ信号
Ｖｂ バイアス電圧
Ｖｐ パルス電圧
Claims (8)
- アバランシェフォトダイオードのブレークダウン電圧を下回る所定電圧と、単一光子発生源によって単一光子の出射と共に出力されるトリガ信号に同期して生成され前記所定電圧との合成電圧が前記ブレークダウン電圧を上回る第１のパルス電圧とを当該アバランシェフォトダイオードに印加した状態において当該アバランシェフォトダイオードに前記単一光子を入射させ、前記アバランシェフォトダイオードによって出力される出力信号の出力レベルが所定のしきい値を超えたときに前記単一光子の入射を検出する単一光子の検出方法であって、
前記トリガ信号の出力から前記第１のパルス電圧の印加までの遅延時間および前記しきい値を順次変更して、前記第１のパルス電圧が印加されて前記単一光子が入射されている期間において隣り合う一対の前記しきい値の間に前記出力レベルが属する前記出力信号の出力回数についての第１波高値分布および当該第１のパルス電圧が印加されて前記単一光子が入射されていない期間において前記隣り合う一対のしきい値の間に前記出力レベルが属する前記出力信号の出力回数についての第２波高値分布を前記変更した各遅延時間毎にそれぞれ測定し、
前記第１波高値分布、前記第２波高値分布、および前記しきい値について予め決められた決定基準に基づいて前記各遅延時間毎にＳＮ比をそれぞれ算出し、
前記算出したＳＮ比が最大となる遅延時間だけ前記トリガ信号から遅らせて前記アバランシェフォトダイオードに対して印加して前記単一光子の入射を検出する単一光子の検出方法。 - 前記単一光子発生源に対して所定の周期で前記トリガ信号を出力させると共に前記単一光子を出射させて前記第１波高値分布を測定し、かつ前記所定電圧との合成電圧が前記ブレークダウン電圧を上回る第２のパルス電圧を前記アバランシェフォトダイオードに対して前記単一光子が入射されていない期間において前記所定の周期で繰り返し印加して前記第２波高値分布を測定する請求項１記載の単一光子の検出方法。
- 前記トリガ信号の出力から前記第１のパルス電圧の印加までの遅延時間および前記しきい値を順次変更して、前記第１のパルス電圧の印加状態において前記出力信号の出力レベルが前記各しきい値を超える出力回数についての第１積分波高値分布および前記第２のパルス電圧の印加状態において当該出力信号の出力レベルが前記各しきい値を超える出力回数についての第２積分波高値分布を前記変更した各遅延時間毎にそれぞれ測定し、
前記第１積分波高値分布と前記第２積分波高値分布との差分に基づいて前記出力信号のうちの主として前記単一光子の入射に起因して前記出力レベルが前記各しきい値を超える当該出力信号の出力回数についての第３積分波高値分布を算出し、
前記第３積分波高値分布に基づいて前記第１波高値分布を算出すると共に前記第２積分波高値分布に基づいて前記第２波高値分布を算出する請求項２記載の単一光子の検出方法。 - 前記第１波高値分布および前記第２波高値分布の各包絡線同士の交点に対応する前記しきい値を前記ＳＮ比を算出する際の前記決定基準として規定した請求項１から３のいずれかに記載の単一光子の検出方法。
- 単一光子発生源によって出射された単一光子が入射されるアバランシェフォトダイオードと、当該アバランシェフォトダイオードにブレークダウン電圧を下回る所定電圧を印加する直流バイアス電源と、前記単一光子発生源によって前記単一光子の出射と共に出力されるトリガ信号に同期し前記所定電圧との合成電圧が前記ブレークダウン電圧を上回る第１のパルス電圧を生成して前記アバランシェフォトダイオードに印加するパルスジェネレータと、前記第１のパルス電圧を印加した状態において前記アバランシェフォトダイオードから出力される出力信号の出力レベルが所定のしきい値を超えるときに検出信号を出力するコンパレータとを備えた単一光子の検出装置であって、
イネーブル状態のときに前記コンパレータからの前記検出信号の出力回数をそれぞれカウントする第１および第２カウンタと、
前記単一光子発生源に対して所定の周期で前記トリガ信号を出力させると共に当該トリガ信号に対して所定時間だけ遅らせて前記単一光子を出射させ、前記パルスジェネレータに対して前記トリガ信号の入力から前記第１のパルス電圧の印加までの遅延時間を設定すると共に前記アバランシェフォトダイオードへの前記単一光子の未入射期間中において第２のパルス電圧を生成させて前記アバランシェフォトダイオードに印加させ、前記第１のパルス電圧の出力期間中において前記第１カウンタを前記イネーブル状態に移行させると共に前記第２のパルス電圧の出力期間中において前記第２カウンタを前記イネーブル状態に移行させ、かつ前記コンパレータに対して前記しきい値を設定制御する制御部とを備え、
当該制御部は、前記遅延時間および前記しきい値を順次変更設定して、前記第１のパルス電圧が印加されて前記単一光子が入射されている期間において隣り合う一対の前記しきい値の間に前記出力レベルが属する前記出力信号の出力回数についての第１波高値分布を前記第１カウンタのカウント値に基づいて前記変更した各遅延時間毎に測定すると共に当該第１のパルス電圧が印加されて前記単一光子が入射されていない期間において前記隣り合う一対のしきい値の間に前記出力レベルが属する前記出力信号の出力回数についての第２波高値分布を前記第２カウンタのカウント値に基づいて前記変更した各遅延時間毎に測定し、前記第１波高値分布、前記第２波高値分布、および前記しきい値について予め決められた決定基準に基づいて各遅延時間毎にＳＮ比をそれぞれ算出し、当該算出したＳＮ比が最大となる遅延時間を前記パルスジェネレータに対する前記遅延時間として設定する単一光子の検出装置。 - 前記制御部は、前記単一光子発生源に対して所定の周期で前記トリガ信号を出力させると共に前記単一光子を出射させて前記第１波高値分布を測定し、かつ前記所定電圧との合成電圧が前記ブレークダウン電圧を上回る第２のパルス電圧を前記アバランシェフォトダイオードに対して前記単一光子が入射されていない期間において前記所定の周期で繰り返し印加させて前記第２波高値分布を測定する請求項５記載の単一光子の検出装置。
- 前記制御部は、前記トリガ信号の出力から前記第１のパルス電圧の印加までの遅延時間および前記しきい値を順次変更設定して、前記第１のパルス電圧の印加状態において前記出力信号の出力レベルが前記各しきい値を超える出力回数についての第１積分波高値分布および前記第２のパルス電圧の印加状態において当該出力信号の出力レベルが前記各しきい値を超える出力回数についての第２積分波高値分布を前記変更した各遅延時間毎にそれぞれ測定し、前記第１積分波高値分布と前記第２積分波高値分布との差分に基づいて前記出力信号のうちの主として前記単一光子の入射に起因して前記出力レベルが前記各しきい値を超える当該出力信号の出力回数についての第３積分波高値分布を算出し、前記第３積分波高値分布に基づいて前記第１波高値分布を算出すると共に前記第２積分波高値分布に基づいて前記第２波高値分布を算出する請求項６記載の単一光子の検出装置。
- 前記制御部は、前記第１波高値分布および前記第２波高値分布の各包絡線同士の交点に対応する前記しきい値を前記ＳＮ比を算出する際の前記決定基準として規定する請求項５から７のいずれかに記載の単一光子の検出装置。
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