JPH04503107A - 光子を計数する光検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 光子を計数する光検出装置 本発明は、光子を計数する光検出装置に関する。

フォトマルチプライア（ｐｈｏｔｏ■ｕＨＩｐｌｉｅｒｓ）又は半導体アバラン チエフオドダイオード（ａｖａｌａｎｃｈｅ　ｐｈｏｔｏｄｌｏｄｅｓ）　（こ のダイオードは、発生した光電子が充分高速に加速され、静止分子との衝突によ り、追加電子を生成するという増幅過程を示す）を光子計数装置に使用すること は、一般に良く知られている。このような装置は、入射光子の一部が電子計数シ ステムの計数スレシヨルド（ＣＯＵｎｔ　ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）をトリガーする ことを可能とする。これは、入射光子が光電子を発生し、光電子は電子増幅過程 により、電子の充分大きなパケット（ｐａｃｋｅｔ）又は束（ｂｕｎｃｈ）を発 生することに基づいている。このような光子計数装置には性能的に限界がある。

フォトマルチプライアのゲインは非常に大きく（一般に１０５　倍）、従って次 段の電子増幅器の熱ノイズを克服するのに充分大きな振幅の出力パルスを発生す る。しかしフォトマルチプライアは大型で壊れやすく、高レベルの光により容易 に破壊される。さらに、フォトマルチプライアの効率は非常に低く、入射光子の 僅かな部分しか検出できない。

アバランチエフオドダイオードは扱いやすい大きさで、比較的頑丈であり、効率 も高い。しかし、アバランチエフオドダイオードのゲインは、その光電子ゲイン が雪崩崩壊（ａｖａｌａｎｃｈｅ　ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）の付近で動作するとき を除き、小さく（一般に５００〜１０００倍）、増幅された電子の自然崩壊が° 暗計数°即ち入射光子に一致しない計数値を生じるという欠点がある。この低ゲ インによる欠点は、次段電子増幅器の熱ノイズレベルを遥かに越える光電子によ る電子のパケットを生成するのが難しく、高周波数応答が高速計数率を可能にす るための電子増幅器に望まれるときは特に難しい。

光アンプを使用することも良く知られている。これらの光アンプは、光フアイバ ー光子アンプ（希土類がドープされたファイバー又はラマンゲイン（Ｒａｍａｎ −ｇａｉｎ）又はブリロイン（Ｂｒｉｌｌｏｕｌｎ　ｇａｉｎ）処理を使用して ）、又は進行波半導体やレーザ形式アンプに基づいて動作する。そのような光ア ンプを比較的ノイズの多いＰＩＮ−フォトダイオード／電子アンプ複合器の前の プリアンプとして、この複合器の比較的低い受信性能を高めるために、使用して 実験することが一般的になっている。しかし、そのような光アンプをフォトマル チプライアのような高電子ゲインを有する装置の前に使用することは試みられて いない。これは通常の通信目的に関して（これは光子計数を使用しない）、一般 にＰＩＮ検出器出力が次段電子アンプの熱ノイズを克服するには、光子アンプ単 独で充分だからである。更に又、そのように使用することによって生じる利点に もかかわらず、光子アンプを光子計数システムの前のプリアンプとして使用する ことは試みられていない。

この発明の目的は、高い効率及び広帯域を有する光子を計数する光検出機器を提 供することである。

従って、この発明により光子を計数する光検出機器が提供され、この光学機器は 、受信手段に到達した光子の数を与えられた時間内に判断する受信手段及びカウ ンタ手段を具備し、前記受信手段は到達した光子を増幅する増幅手段、及び増幅 された光子を検出し光電流を検出する光検出器を具備し、前記カウンタ手段は受 信手段に到達した光子の数を測定するために、与えられたスレショルドレベルを 越える出力光電流パルスの数を計数する。

好適に、前記増幅手段は刺激された光子増幅処理により動作する。

前記増幅手段は、低い基底状態に比べてそのような励起状態の反転分布を有する エネルギ増幅した電子状態を含む少なくとも一つの光フアイバー導波管を具備し 、正味光ゲインは光子が前記光フアイバー導波管を通過するときに生じる。　、 前記増幅手段は光ファイバーが外部光源によりポンプされる（ｐｕｍｐｅｄ）と き、パラメトリックゲインを有する光ファイバーにすることもできる。パラメト リックゲインは一般的なＲａｍａｎ又はＢｒ１１１ｏｕｉｎ処理によることがで きる。

増幅手段は励起された電子反転分布の半導体アンプを使用することもできる。

励起された反転分布半導体は、進行波半導体アンプ、又は部分的にミラー構成の Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ形式又は半導体レーザに使用される構造に類似する構造 の分散されたＢｒａｇｇフィードバック形式のものでもよい。光検出手段はＰＩ Ｎフォトダイオードでもよい。

又、光検出器はフォトマルチプライアでもよい。

光検出装置は、パルス高を認識する手段を含み、この手段は前記光検出手段の後 に設けられ、どの出力光電流パルスを出力光電流パルスの高さに基づいて計数す るかを決定する。このパルス高認識手段は一般に適切な電子回路である。

パルス高認識手段の出力は、与えられたスレショルド以上で、所定時間内に立ち 上がる電子パルスの数に対応する信号を発生するのに使用される。

パルス高認識装置の出力が所定スレショルド以上の電子パルスの数に対応する信 号を発生するのに使用される場合、その光検出装置は通信受信器、又は光の時間 領域（ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ）反射システム、又はレーダ（即ちＬｉｄａｒ） システム、又は動く物体からの拡散光の光到着統計（ｐｈｏｔｏ　ａｒｒｉＶａ ｌ　５ｔａｔｉＳｔｉｅＳ）を検査して前記物体の動きを判断する装置でもよい 。（後者の応用はレーザドツプラー速度計及び光子相関分光器［１ａｓｅｒ　ｄ ｏｐｐｌｅｒ　ｖｅｌｏｃｉｓｅｔｒｙ　ａｎｄ　ｐｈｏｔｏｎ　ｃｏｒｒｅｌ ａｔｉｏｎ　５ｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ］を含む）この発明の光検出装置は、高 効率、高性能光子計数システムを提供し、このシステムは、前述したように従来 の光検出手段の前に、光子アンプを使用する。

光検出手段は前述のアバランチェダイオードが望ましいが、前述のＰＩＮフォト ダイオードを、アンプ手段の充分な光子ゲインを発生するのに使用できる。

光アンプの効果的量子効率は非常に高く、大部分の入射光子はアンプ内のゲイン を示す。又、単−入射光子からの光信号が光検出手段に到達するまでの時間に、 光信号は実質的に３０〜１，０００，０００倍のゲインを受け、これはプリアン プとして機能する増幅手段から得られるゲインに依存する。従って、実質的に増 幅された全ての光子激発（ｂｕｒｓｔｓ）は、光検出手段の量子効率が１０％く らいに低いときでも、光検出手段内の光電子の激発を生じる。従ってこの組み合 わせの総合実効量子効率は１００％に近く、本質的に全ての入射光子は、光検出 手段からの電子の強い出力激発を生じる。

プリアンプの応答帯域幅は（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎファイバーアンプを除いて）、 一般に非常に高く、少なくとも数十ＧＨｚである。又、後段検出器電子アンプの 帯域幅も非常に高く、総合ゲイン積（即ち光子掛ける光電子）がそれほど高くな いときに生じることのあるノイズによる不利益を被ることはない。速度に関する 唯一の制限は、従ってアバランチエフオドダイオードの速度であり、現在の技術 で代表的上限は１〜２ＧＨｚのオーダである。この制限値は（フォト電子ゲイン のみを使用する）従来システムの上限光子計数率に充分対抗でき、この従来値は 一般に僅か１０ＭＨｚのオーダである。

この発明による一実施例が添付図面を参照してこれより説明される。

図１は電子アンプのみを使用する従来の光子計数装置を示し；図２はこの発明に よる光検出装置で、光検出装置は光子を計数するために使用され、光アンプを使 用する従来の光増倍法による装置である；図３は図２の光検出装置内の光子の増 幅を更に示す。

図１において、従来の光子計数装置２が示され、これは電子アンプのみを使用す る。更に詳細には、入射光は結合された検出器及び電子増倍装置４に入射し、増 倍装置４はアバランチエフオドダイオード又はフォトマルチプライアである。装 置４はアンプ６に接続され、アンプ６はパルス高認識装置８に接続される。パル ス高認識装ｆｆ１８からのパルスはライン１０を介して計数手段（図示されず） に到達する。

第２図において、光子を計数する光検出装置１２が示される。光検出装置１２は 、光アンプ１４の形式の増幅手段と、光検出器１６の形式の光検出手段と、及び パルス高認識装置２０を具備する。パルス高認識装置２０からのパルス出力は計 数手段（図示されず）に到達する。

光検出装置１２は、弱い入射光２２が光アンプ１４を通過して、ここで入射光は 増幅され、増幅された光２４として光検出器１６に到達するように動作する。光 アンプ１４のゲインに依存して、光検出器１６は、アンプ１８に示される電子増 倍ステージを必要、又は必要としない。高ゲイン先アンプ１４を使用することに より、光検出器１６は簡単なＰＩＮフォトダイオードで充分である。

図３において、入射光子２６は光アンプ１４に到達しているところが示され、又 、入射光子２６は増幅された光子のパケット又は激発２８に増幅され、これら光 子は光検出器１６により受信される。又図３は、光検出器１６に到達するパケッ ト又は激発が、どのようにして光電子の激発３２としてライン３０を通過するか を示す。アバランチエフオドダイオード検出器又はフォトマルチプライア検出器 が、アンプのノイズを克服するために選択された場合は、光電子の激発３２は内 部電子増幅を検出器内で既に受けている。

添付図面の図２及び３を参照して説明されたこの発明の実施例は一例に過ぎず、 これに修正を加えることは容易である。

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Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. １．所定時間内に受信部に到達した光子の数を判定する受信手段及び計数手段を 具備することにより光子を計数する光検出装置であって、前記受信手段は到達し た光子を増幅する増幅手段１４と、前記増幅された光子を検出する検出手段１６ を有し、 前記計数手段は前記受信手段に到達した光子の数の測定値を発生するために、所 定スレショルドレベル以上の出力光電流パルスの数を計数する…ことを特徴とす る光検出装置。
2. ２．前記増幅手段１４は少なくとも一つの光ファイパー導波管を具備し、前記導 波管は反転分布励起状態のエネルギ増加された電子状態を有する材料を含み、前 記導波管を介した放射の通過中に光増幅を行うことを特徴とする請求項１記載の 光検出装置。
3. ３．前記増幅手段１４は、外部光放射源により光ポンプされたときパラメトリッ クゲインを示す光ファイパーを具備することを特徴とする請求項１記載の光検出 装置。
4. ４．前記増幅手段１４は半導体アンプを具備することを特徴とする請求項１記載 の光検出装置。
5. ５．前記半導体アンプは進行波半導体アンプにより構成されることを特徴とする 請求項４記載の光検出装置。
6. ６．前記半導体アンプはＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ形式による部分的にミラー構成 の装置を具備することを特徴とする請求項４記載の光検出装置。
7. ７．前記半導体アンプは分散型Ｂｒａｇｇフィードパックアンプにより構成され ることを特徴とする請求項４記載の光検出装置。
8. ８．前記光検出手段１６はＰＩＮダイオードにより構成されるとを特徴とする請 求項１記載の光検出装置。
9. ９．前記光検出手段はアパランチェダイオードにより構成されるとを特徴とする 請求項１記載の光検出装置。
10. １０．前記光検出手段はフォトマルチブライアにより構成されるとを特徴とする 請求項１記載の光検出装置。
11. １１．前述のあらゆる請求項の中の一つに記載される光検出装置を含むことを特 徴とする通信用受信器。