專利名稱：光子檢測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在光通信·量子密碼等信息處理領(lǐng)域中需要的光子檢測(cè)器。
背景技術(shù)：
在以往的利用通信波段雪崩光電二極管(以下，將雪崩光電二極管記載為APD)的光子檢測(cè)器中，通過在對(duì)APD施加了比擊穿電壓稍微低的DC偏置的狀態(tài)下與光子的入射定時(shí)(timing)對(duì)齊地施加矩形波脈沖，并觀察其響應(yīng)波形，來進(jìn)行光子檢測(cè)(例如，參照專利文獻(xiàn)1)。在該檢測(cè)方式中，在光子非檢測(cè)時(shí)APD發(fā)揮與電容器類似的功能，所以來自APD的響應(yīng)波形成為矩形波的微分波形，穩(wěn)定地具有正的充電脈沖和負(fù)的放電脈沖。在光子檢測(cè)時(shí)，由于流過雪崩電流，所以在響應(yīng)波形上重疊信號(hào)脈沖。通常，通過閾值辨別來判定變得比充電脈沖大的信號(hào)脈沖，由此可以實(shí)現(xiàn)光子檢測(cè)。因此，存在如果信號(hào)脈沖不變得大于充電脈沖則無法進(jìn)行光子檢測(cè)這樣的問題， 可使用的APD被大幅限制。相對(duì)于此，還有如下檢測(cè)方式使用2個(gè)APD，使各響應(yīng)信號(hào)相互逆相地合波而使充電脈沖抵消(例如，參照專利文獻(xiàn)2)。在該檢測(cè)方式中，難以使彼此的充電脈沖完全抵消，所以提出了如下方法通過代替矩形波脈沖而將正弦波輸入到APD，從而避免產(chǎn)生充電脈沖、放電脈沖。此時(shí)，光子非檢測(cè)時(shí)的APD的響應(yīng)波形是正弦波，在光子檢測(cè)時(shí)，非正弦波分量的信號(hào)被重疊。為此，有通過使用帶除濾波器來去除正弦波分量而抽出信號(hào)分量的方法(例如， 參照非專利文獻(xiàn)1)。該檢測(cè)方式的問題在于，需要得到盡可能去除正弦波分量的特性良好的帶除濾波器、以及由于濾波器的頻率依賴性而無法自由地改變驅(qū)動(dòng)頻率。專利文獻(xiàn)1 日本特開2005-114712號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2 日本特開2003-243691號(hào)公報(bào)1 :N. Namekata>S. Sasamori>and S. Inoue> “ 800MHz Single-photon detection at 1550-nm using an InGaAs/InP avalanche photodiode operated with a sine wave gating、" Optical Express vol. 14、No.21、10043、2006.

發(fā)明內(nèi)容
在以往的使用了通信波段APD的光子檢測(cè)中將正弦波輸入到APD的方式中，為了從其響應(yīng)波形中抽出信號(hào)，通過帶除濾波器來去除非信號(hào)分量即正弦波分量。因此，存在依賴于帶除濾波器而無法自由地選擇驅(qū)動(dòng)頻率的問題。另外，為了有效地抽出信號(hào)分量而需要準(zhǔn)備Q值非常高的帶除濾波器。本發(fā)明是為了解決上述那樣的問題而完成的，其目的在于提供一種光子檢測(cè)器， 不需要特殊的帶除濾波器，通過能以任意的驅(qū)動(dòng)頻率工作的正弦波狀的選通信號(hào)使APD能夠響應(yīng)。本發(fā)明提供一種光子檢測(cè)器，具備正弦波發(fā)生器，生成正弦波狀的選通信號(hào)；分束器，對(duì)來自所述正弦波發(fā)生器的選通信號(hào)進(jìn)行分支；偏置電路，與光子的輸入同步地，將對(duì)由所述分束器分支出的一個(gè)選通信號(hào)重疊了規(guī)定的DC電壓的信號(hào)提供給作為光子檢測(cè)元件的雪崩光電二極管；虛擬電路，由電容器和電阻構(gòu)成，輸入由所述分束器分支出的另一個(gè)選通信號(hào)并輸出模擬了所述雪崩光電二極管的響應(yīng)信號(hào)；差動(dòng)放大器，對(duì)光子檢測(cè)時(shí)的來自所述雪崩光電二極管的響應(yīng)信號(hào)和來自所述虛擬電路的響應(yīng)信號(hào)的差動(dòng)輸入進(jìn)行放大；以及比較器，在來自所述差動(dòng)放大器的輸出是規(guī)定的閾值電壓以上時(shí)，輸出光子檢測(cè)信號(hào)。根據(jù)本發(fā)明，通過抵消去除來自雪崩光電二極管的光子非檢測(cè)時(shí)的響應(yīng)波形，從而可以以高SN比地抽出光子檢測(cè)信號(hào)分量，與使用帶除濾波器的方式不同，抽出沒有選通信號(hào)的頻率依賴性的光子檢測(cè)信號(hào)，所以可以自由地改變驅(qū)動(dòng)頻率。


圖1是示出本發(fā)明的實(shí)施方式1的光子檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)的框圖。圖2是從圖1所示的正弦波發(fā)生器3產(chǎn)生的正弦波的波形圖。圖3是圖1所示的APDl的光子檢測(cè)時(shí)和光子非檢測(cè)時(shí)的響應(yīng)波形圖。圖4是示出來自圖1所示的差動(dòng)放大器10的光子檢測(cè)信號(hào)的波形圖。圖5是示出本發(fā)明的實(shí)施方式2的光子檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)的框圖。圖6是示出本發(fā)明的實(shí)施方式3的光子檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)的框圖。圖7是示出本發(fā)明的實(shí)施方式4的光子檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)的框圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施方式1.圖1是示出本發(fā)明的實(shí)施方式1的光子檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)的框圖。圖1所示的實(shí)施方式1的光子檢測(cè)器包括作為光子檢測(cè)元件的APDl ；與APDl連接的具有例如50 Ω的電阻值的電阻2 ；用于對(duì)APDl提供選通信號(hào)的正弦波發(fā)生器3 ；用于對(duì)APDl施加DC電壓的DC 偏置4 ；使來自正弦波發(fā)生器3的選通信號(hào)和來自DC偏置4的DC電壓重疊的偏置電路5 ； 由電容器6a和電阻6b構(gòu)成，用于模擬APDl的虛擬電路6 ；將來自正弦波發(fā)生器3的選通信號(hào)提供到APDl和虛擬電路6這雙方的分束器(在圖中記載為BS) 7 ；調(diào)整虛擬電路6的輸出信號(hào)的振幅的衰減器(在圖中記載為ATT)8 ；調(diào)整衰減器8的輸出信號(hào)的相位的移相器9 JiAPDl的響應(yīng)信號(hào)和經(jīng)由了衰減器8以及移相器9的虛擬電路6的輸出信號(hào)進(jìn)行差動(dòng)放大的差動(dòng)放大器10 ；將來自差動(dòng)放大器10的輸出信號(hào)與閾值電壓Vth進(jìn)行比較，僅在來自差動(dòng)放大器10的輸出信號(hào)的振幅是閾值電壓Vth以上時(shí)輸出光子檢測(cè)信號(hào)的比較器 (在圖中記載為C0MP)11。接下來說明動(dòng)作。在圖1中，APDl是根據(jù)通信波段(例如，1550nm)的光子的輸入有無而響應(yīng)波形變化的光學(xué)器件。為了產(chǎn)生該反應(yīng)，需要與光子的輸入定時(shí)對(duì)齊地輸入選通信號(hào)。正弦波發(fā)生器3是用于此的選通信號(hào)源，構(gòu)成為可以調(diào)整正弦波的相位，以如圖2 所示使正弦波的振幅峰值位置與向APDl輸入光子的輸入定時(shí)對(duì)齊。分束器7將從正弦波發(fā)生器3產(chǎn)生的正弦波信號(hào)分波成2個(gè)。被分波的1個(gè)正弦波信號(hào)在偏置電路5中，與從DC偏置4產(chǎn)生的比APDl的擊穿電壓稍微低的DC電壓重疊而施加到APD1。入射了該選通信號(hào)時(shí)的APDl的響應(yīng)波形是圖3。APDl如圖3所示，在沒有光子檢測(cè)且在APDl中沒有產(chǎn)生雪崩時(shí)使正弦波的響應(yīng)波形返回，但如果光子被輸入而引起雪崩，則產(chǎn)生對(duì)于正弦波重疊了虛線表示的信號(hào)的檢測(cè)信號(hào)。由分束器7分波了的另1個(gè)正弦波信號(hào)被施加到由電容器6a和電阻6b構(gòu)成的 APDl的虛擬電路6。該虛擬電路6是微分電路，對(duì)沒有光子檢測(cè)時(shí)的來自APDl的響應(yīng)波形進(jìn)行模擬。例如，電容器6a是20nF、電阻6b是50 Ω。來自該虛擬電路6的輸出信號(hào)是正弦波。為了使來自該虛擬電路6的正弦波信號(hào)的振幅與來自APDl的響應(yīng)波形的正弦波的振幅一致，通過衰減器8調(diào)整振幅。接下來，為了使經(jīng)由了衰減器8的來自虛擬電路6的正弦波信號(hào)的相位與來自APDl的響應(yīng)波形的正弦波的相位一致，通過移相器9調(diào)整相位。來自APDl的輸出信號(hào)、和被調(diào)整了振幅以及相位的來自虛擬電路6的輸出信號(hào)輸入到差動(dòng)放大器10。此時(shí)，被調(diào)整了振幅以及相位的來自虛擬電路6的輸出信號(hào)是相位反轉(zhuǎn)輸入。其結(jié)果，作為來自差動(dòng)放大器10的輸出信號(hào)，如圖4所示可以得到只有正弦波分量被抵消的光子檢測(cè)信號(hào)的波形。此時(shí)，對(duì)于通過APDl的雪崩得到的光子檢測(cè)信號(hào)，可以以充分大的振幅抽出，所以通過比較器11使具有比閾值電壓大的振幅的信號(hào)通過，從而可以容易地進(jìn)行光子檢測(cè)。如上所述，根據(jù)實(shí)施方式1，使用虛擬電路6，對(duì)來自APDl的光子非檢測(cè)時(shí)的響應(yīng)波形進(jìn)行模擬，與來自APDl的響應(yīng)波形抵消，消除光子非檢測(cè)時(shí)的波形，從而可以以高SN 比抽出光子檢測(cè)信號(hào)分量。實(shí)施方式1的檢測(cè)方式與使用帶除濾波器的方式不同，是抽出沒有選通信號(hào)的頻率依賴性的光子檢測(cè)信號(hào)的方式，所以可以自由地改變驅(qū)動(dòng)頻率。另外，在基于正弦波選通信號(hào)的輸入而產(chǎn)生的APDl的響應(yīng)波形中，與矩形波選通信號(hào)的輸入時(shí)不同，不產(chǎn)生高頻分量，所以無需進(jìn)行電氣容量、電阻值的微調(diào)整，可以容易地構(gòu)成虛擬電路6。因此，與希望只去除正弦波分量的Q值高的帶除濾波器相比，可以用廉價(jià)的常見的通用的部件來構(gòu)成虛擬電路6。另外，在該檢測(cè)方式中，使用虛擬電路6來進(jìn)行光子檢測(cè)信號(hào)的抽出，所以不僅可以應(yīng)用于正弦波選通信號(hào)而且還可以應(yīng)用于矩形波選通信號(hào)。實(shí)施方式2.在上述的實(shí)施方式1中，僅通過衰減器8和移相器9來調(diào)整來自虛擬電路6的輸出信號(hào)，通過差動(dòng)放大器10使光子非檢測(cè)時(shí)的響應(yīng)波形抵消消除，但在該實(shí)施方式2中，示出了如下例子在無法充分地去除非光子檢測(cè)信號(hào)的分量時(shí)，在差動(dòng)放大器10與比較器11 之間插入了高通濾波器。圖5是示出本發(fā)明的實(shí)施方式2的光子檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)的框圖。在圖2中，與圖1 所示的實(shí)施方式1的光子檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)相同的部分附加同一符號(hào)，省略其說明。圖5所示的實(shí)施方式2的光子檢測(cè)器相對(duì)圖1的結(jié)構(gòu)，在差動(dòng)放大器10與比較器11之間插入了高通濾波器12。如圖4所示，在正弦波選通信號(hào)分量沒有被光子非檢測(cè)時(shí)的響應(yīng)波形(粗的、頻度高的曲線)抵消消除而殘留時(shí)，光子檢測(cè)信號(hào)的分量如圖4所示的細(xì)的、頻度小的曲線那樣，由比正弦波選通信號(hào)高頻的分量構(gòu)成，所以通過插入高通濾波器12，可以以高SN比地抽出光子檢測(cè)信號(hào)。作為高通濾波器12，例如，相對(duì)200MHz的正弦波選通信號(hào)，插入300MHz 的高通濾波器即可。
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如上所述，根據(jù)實(shí)施方式2，通過在差動(dòng)放大器10與比較器11之間插入高通濾波器12，從而可以以更高SN比地進(jìn)行光子檢測(cè)信號(hào)的抽出。另外，在利用衰減器以及移相器 9調(diào)整來自虛擬電路6的輸出信號(hào)時(shí)，例如，可以使精度從IdB刻度的衰減量的調(diào)整緩和為 2dB刻度的疏調(diào)整。實(shí)施方式3.在上述的實(shí)施方式1以及2中，使用來自虛擬電路6的輸出信號(hào)，使光子非檢測(cè)時(shí)的響應(yīng)波形抵消消除，但在正弦波選通信號(hào)的情況下，由于來自APDl的光子非檢測(cè)時(shí)響應(yīng)波形也是正弦波，所以即使不使用虛擬電路6也可以進(jìn)行非光子檢測(cè)信號(hào)分量的抵消去除。在該實(shí)施方式3中，示出從實(shí)施方式1的結(jié)構(gòu)刪除了虛擬電路6的例子。圖6是示出本發(fā)明的實(shí)施方式3的光子檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)的框圖。在圖6中，與圖1 所示的實(shí)施方式1的光子檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)相同的部分附加同一符號(hào)而示出，其說明省略。圖6 所示的實(shí)施方式3的光子檢測(cè)器是在圖1的結(jié)構(gòu)中刪除虛擬電路6而得到的，具備生成正弦波狀的選通信號(hào)的正弦波發(fā)生器3 ；對(duì)來自正弦波發(fā)生器3的選通信號(hào)進(jìn)行分支的分束器7 ；與光子的輸入同步地，將對(duì)由分束器7分支出的一個(gè)選通信號(hào)重疊了規(guī)定的DC電壓的信號(hào)提供給APDl的偏置電路5 ；對(duì)由分束器7分支出的另一個(gè)選通信號(hào)進(jìn)行振幅調(diào)整的衰減器8 ；對(duì)來自衰減器8的輸出信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)整的移相器9 ；對(duì)光子檢測(cè)時(shí)的來自APDl 的響應(yīng)信號(hào)和來自移相器9的輸出信號(hào)的差動(dòng)輸入進(jìn)行放大的差動(dòng)放大器10 ；以及在來自差動(dòng)放大器10的輸出是規(guī)定的閾值電壓以上時(shí)輸出光子檢測(cè)信號(hào)的比較器11。來自APDl的光子非檢測(cè)時(shí)的響應(yīng)波形即正弦波和正弦波選通信號(hào)是頻率相同的相似的波形，所以如果使用衰減器8和移相器9來進(jìn)行振幅以及相位的調(diào)整，則可以通過差動(dòng)放大器10抵消消除。如上所述，根據(jù)實(shí)施方式3，通過針對(duì)實(shí)施方式1的結(jié)構(gòu)刪除虛擬電路6，由此可以抑制向構(gòu)成依賴于頻率的虛擬電路6的微分電路流入能量，可以抑制對(duì)正弦波選通信號(hào)的 APDl實(shí)際地施加的振幅的依賴于頻率的變化。因此，可以實(shí)現(xiàn)沒有虛擬電路6中的無用能量的消耗以及APDl的頻率依賴的穩(wěn)定動(dòng)作。實(shí)施方式4.在上述的實(shí)施方式1至3中，使用其他正弦波分量來抵消消除了光子非檢測(cè)時(shí)的響應(yīng)波形即正弦波分量，但如果使用不使正弦波分量通過的高通濾波器則可以容易地去除正弦波分量。在該實(shí)施方式3中，示出如下例子從圖5所示的實(shí)施方式2的結(jié)構(gòu)中，刪除了分束器7、虛擬電路6、衰減器8、移相器9、差動(dòng)放大器10。圖7是示出本發(fā)明的實(shí)施方式4的光子檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)的框圖。在圖7中，與圖5 所示的實(shí)施方式2的光子檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)相同的部分附加同一符號(hào)而示出，其說明省略。圖 7所示的實(shí)施方式4的光子檢測(cè)器是在圖5的結(jié)構(gòu)中刪除分束器7、虛擬電路6、衰減器8、 移相器9、差動(dòng)放大器10而得到的，具備生成正弦波狀的選通信號(hào)的正弦波發(fā)生器3 ；與光子的輸入同步地，將對(duì)來自正弦波發(fā)生器3的選通信號(hào)重疊了規(guī)定的DC電壓的信號(hào)提供給APDl的偏置電路5 ；從來自APDl的響應(yīng)信號(hào)中切斷正弦波選通信號(hào)的主要頻率分量的高通濾波器12 ；以及在來自高通濾波器12的輸出是規(guī)定的閾值電壓以上時(shí)輸出光子檢測(cè)信號(hào)的比較器11。來自APDl的光子檢測(cè)時(shí)的信號(hào)分量是相比于光子非檢測(cè)時(shí)的響應(yīng)波形即正弦波分量充分高的高頻，所以僅通過高通濾波器12就可以抽出光子檢測(cè)信號(hào)。
如上所述，根據(jù)實(shí)施方式4，在用正弦波選通信號(hào)驅(qū)動(dòng)APDl的情況下，僅通過高通濾波器12就可以抽出光子檢測(cè)信號(hào)，所以在圖2的結(jié)構(gòu)中，刪除分束器7、虛擬電路6、衰減器8、移相器9、差動(dòng)放大器10，可以非常廉價(jià)地構(gòu)成光子檢測(cè)器。另外，相對(duì)于帶除濾波器， 可以得到頻帶特性急劇的廉價(jià)的濾波器作為高通濾波器12。
權(quán)利要求
1.一種光子檢測(cè)器，具備正弦波發(fā)生器，生成正弦波狀的選通信號(hào)；分束器，對(duì)來自所述正弦波發(fā)生器的選通信號(hào)進(jìn)行分支；偏置電路，與光子的輸入同步地，將對(duì)由所述分束器分支出的一個(gè)選通信號(hào)重疊了規(guī)定的DC電壓的信號(hào)提供給作為光子檢測(cè)元件的雪崩光電二極管；虛擬電路，由電容器和電阻構(gòu)成，輸入由所述分束器分支出的另一個(gè)選通信號(hào)并輸出模擬了所述雪崩光電二極管的響應(yīng)信號(hào)；差動(dòng)放大器，對(duì)光子檢測(cè)時(shí)的來自所述雪崩光電二極管的響應(yīng)信號(hào)和來自所述虛擬電路的響應(yīng)信號(hào)的差動(dòng)輸入進(jìn)行放大；以及比較器，在來自所述差動(dòng)放大器的輸出是規(guī)定的閾值電壓以上時(shí)，輸出光子檢測(cè)信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子檢測(cè)器，其特征在于，還具備 衰減器，對(duì)來自所述虛擬電路的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行振幅調(diào)整；以及移相器，對(duì)來自所述虛擬電路的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)整，所述差動(dòng)放大器對(duì)來自所述雪崩光電二極管的響應(yīng)信號(hào)、和經(jīng)由所述衰減器以及所述移相器被調(diào)整了振幅以及相位的來自虛擬電路的響應(yīng)信號(hào)的差動(dòng)輸入進(jìn)行放大。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子檢測(cè)器，其特征在于，在所述差動(dòng)放大器與所述比較器之間，還具備對(duì)正弦波選通信號(hào)的主要頻率分量進(jìn)行切斷的高通濾波器。
4.一種光子檢測(cè)器，具備正弦波發(fā)生器，生成正弦波狀的選通信號(hào)；分束器，對(duì)來自所述正弦波發(fā)生器的選通信號(hào)進(jìn)行分支；偏置電路，與光子的輸入同步地，將對(duì)由所述分束器分支出的一個(gè)選通信號(hào)重疊了規(guī)定的DC電壓的信號(hào)提供給作為光子檢測(cè)元件的雪崩光電二極管； 衰減器，對(duì)由所述分束器分支出的另一個(gè)選通信號(hào)進(jìn)行振幅調(diào)整； 移相器，對(duì)來自所述衰減器的輸出信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)整；差動(dòng)放大器，對(duì)光子檢測(cè)時(shí)的來自所述雪崩光電二極管的響應(yīng)信號(hào)和來自所述移相器的輸出信號(hào)的差動(dòng)輸入進(jìn)行放大；以及比較器，在來自所述差動(dòng)放大器的輸出是規(guī)定的閾值電壓以上時(shí)，輸出光子檢測(cè)信號(hào)。
5.一種光子檢測(cè)器，具備正弦波發(fā)生器，生成正弦波狀的選通信號(hào)；偏置電路，與光子的輸入同步地，將對(duì)來自所述正弦波發(fā)生器的選通信號(hào)重疊了規(guī)定的DC電壓的信號(hào)提供給作為光子檢測(cè)元件的雪崩光電二極管；高通濾波器，從來自所述雪崩光電二極管的響應(yīng)信號(hào)中切斷正弦波選通信號(hào)的主要頻率分量；以及比較器，在來自所述高通濾波器的輸出是規(guī)定的閾值電壓以上時(shí)，輸出光子檢測(cè)信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明得到一種光子檢測(cè)器，無需特殊的帶除濾波器，通過可以以任意的驅(qū)動(dòng)頻率工作的正弦波狀的選通信號(hào)使APD能夠響應(yīng)。本發(fā)明的光子檢測(cè)器具備正弦波發(fā)生器(3)，生成正弦波狀的選通信號(hào)；分束器(7)，對(duì)選通信號(hào)進(jìn)行分支；偏置電路(5)，將對(duì)經(jīng)由了分束器(7)的選通信號(hào)重疊了規(guī)定的DC電壓的信號(hào)提供給雪崩光電二極管；虛擬電路(6)，輸入經(jīng)由了分束器(7)的選通信號(hào)并輸出模擬了雪崩光電二極管的響應(yīng)信號(hào)；差動(dòng)放大器(10)，對(duì)來自雪崩光電二極管的響應(yīng)信號(hào)和來自虛擬電路(6)的響應(yīng)信號(hào)的差動(dòng)輸入進(jìn)行放大；以及比較器(11)，在來自差動(dòng)放大器(10)的輸出是規(guī)定的閾值電壓以上時(shí)輸出光子檢測(cè)信號(hào)。
文檔編號(hào)H01L31/107GK102197496SQ20088013163
公開日2011年9月21日 申請(qǐng)日期2008年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月12日
發(fā)明者西岡毅 申請(qǐng)人:三菱電機(jī)株式會(huì)社