2016 Fiscal Year Annual Research Report
Photo-detection using a sinusoidally gated silicon avalanche photodiode
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26390087
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| Research Institution | Nihon University |
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Principal Investigator |
行方 直人 日本大学, 理工学部, 准教授 (20453912)
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2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 単一光子検出 / シリコン雪崩フォトダイオード |
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| Outline of Annual Research Achievements |
シリコン雪崩フォトダイオード（Si-APD）を高振幅ゲート動作させ、極めて高い単一光子検出効率を実現することを目標としてきた。矩形電圧パルス発生回路の開発および改良により、最終的に、ゲート幅は5ナノ秒まで拡大され、40V以上の電圧パルス振幅を達成している（繰り返し周波数：500kHz）。そのような電圧パルスを用いて近赤外（波長780nm）における単一光子検出実験を行ったところ、85%の単一光子検出効率（PDE）を実現している。しかし、その値は±5%程度の不確定さを有する一般的な光パワーメータを光強度基準として用いていたため、真に85%を達成したかを議論できていなかった。本年度は、Si-APDのPDE評価をより高精度に行えるような実験系の構築を行った。
先ず、2次非線形光学結晶BBOから発生する波長780 nmの時間相関光子対を利用した評価方法を検討した。ツインビーム型の光子対発生系を構築し、それによる効率評価を試みた。しかし、発生光子対のビームクオリティがやや悪く、Si-APDの有効径への集光入射が正確に行えなかったため、高精度にPDEを評価することができなかった。ここで、光子検出が高効率（～85%）に実現するSi-APD有効径はそのSi-APDが持つ受光径よりも極めて小さく、また、集光時の開口数にも大きく依存してしまうことを発見している。
一方、光計測標準で較正された光強度測定系と、計測システムの自動化によって高精度評価系の構築を試みた。その結果、不確かさ±1%程度のPDE評価系を構築することに成功した。今後、本系を用いることによって、高振幅矩形パルスゲート動作されたSi-APDのPDE再評価を行いたい。また、ゲート用電圧パルス発生回路も50V以上の過剰電圧実現を目指した改良を現在も進めている。以上の改良点を合わせ、当初の目標である単一光子検出効率～90%を実現したい。
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