可視光光子カウンター

固体光検出器の種類

可視光光子カウンタ（VLPC）は、ヒ素ドープシリコンの不純物バンド伝導を利用した光子計数型光検出器です。高い量子効率を有し、電磁スペクトルの可視領域における単一光子を検出することができます。検出された光子の正確な数を計数する能力は、量子鍵配送において極めて重要です。

ロックウェル・インターナショナルのサイエンスセンターは、広帯域（0.4～28μm）検出器である「固体光電子増倍管」（SSPM）を以前に発表していました。^[1] 1980年代後半、ロックウェルとUCLAの共同研究により、超伝導超大型衝突型加速器（Superconducting Super Collider ）で使用するためのシンチレーティングファイバー粒子追跡装置の開発が開始されました。[ ^2]^[3]これは、後に可視光光子カウンターとして知られるようになったSSPMの専用派生型に基づいています。^[4]

動作原理はAPDに似ていますが、不純物バンド伝導に基づいています。^[5]このデバイスはヒ素ドープシリコンで作られており、伝導バンドより50 meV下の不純物バンドを持ち、^[6]その結果、利得は 4万からわずか数ボルト（例えば7V）の逆バイアスで、80,000 [ ^5]^{[7] の光子を励起することができます。}^[5]^{[注 1]}狭いバンドギャップは利得分散を低減し、各光子に対する応答を均一にするため、出力パルスの高さは入射光子の数に比例します。VLPCは極低温（6～10K）で動作する必要があります。 [ ^{5] VLPCの量子効率は565nmで85%}^[4]であり、時間分解能は数ナノ秒です。^[5]

VLPCはD0実験の中心追跡検出器[8] [9]やミューオン衝突型加速器（MICE）のミューオンビーム冷却研究に広く利用されている。^[⁷ ]また、量子情報科学^の分野でも評価されている。^[6]

注記

^ 対照的に、SPAD では高い逆バイアス電圧が必要となり、その結果出力電流が抑制されます。

参考文献

^ MD Petroff、MG Stapelbroek、WA Kleinhans：「固体光電子増倍管における不純物衝突イオン化による0.4～28μm波長の光子の個別検出」応用物理学論文集 51 (6) pp.406-408 doi :10.1063/1.98404 (1987)
^ MD PetroffとM. Atac：「シンチレーティングファイバーと固体光電子増倍管を用いた高エネルギー粒子追跡」IEEE Transactions on Nuclear Science 36 (1) pp.163-164. ISSN 0018-9499 doi :10.1109/23.34425 (1989)
^ M. Atac：「可視光光子カウンタ読み出しを用いた高輝度シンチレーティングファイバー追跡」pp.149-160、高エネルギー、宇宙粒子、医療物理学における画像検出器 - UCLA国際会議議事録、J. Park（編）、World Scientific Publishing ISBN 978-981-4530-41-5 doi :10.1142/3313 (1996)
^ ab B. Abbot et al. : "高速プリアンプを備えた可視光光子カウンタの研究" 1991年IEEE核科学シンポジウムおよび医療画像会議会議記録、サンタフェ、ニューメキシコ州、米国、pp.369-373 ISSN 1082-3654 doi :10.1109/NSSMIC.1991.258956 (1991)
^ abcde MD PetroffとMG Stapelbroek：「光子計数型固体光電子増倍管」IEEE Transactions on Nuclear Science 36 (1) pp.158-162. ISSN 0018-9499. doi :10.1109/23.34424 (1989)
^ ab K. McKay「量子情報科学への応用のための可視光光子カウンターの開発」博士論文、デューク大学、http://hdl.handle.net/10161/4990 (2011)
^ ab M. Ellis et al. , “MICEシンチレーティングファイバートラッカーの設計、構築、性能,” Nuclear Instruments and Methods A659 pp.136–153 doi :10.1016/j.nima.2011.04.041 (2011)
^ D. Adams他：「VLPC読み出しを用いた大規模シンチレーティングファイバートラッカーの性能」IEEE Transactions on Nuclear Science 42 (4) pp.401-406 ISSN 0018-9499 doi :10.1109/23.467812 (1995)
^ D0コラボレーション：「改良型D0検出器」核計測法 A565 pp.463–537 doi :10.1016/j.nima.2006.05.248 (2006)

[8] 対照的に、SPAD では高い逆バイアス電圧が必要となり、その結果出力電流が抑制されます。

[Petroff87-1] MD Petroff、MG Stapelbroek、WA Kleinhans：「固体光電子増倍管における不純物衝突イオン化による0.4～28μm波長の光子の個別検出」応用物理学論文集 51 (6) pp.406-408 doi :10.1063/1.98404 (1987)

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[Abbot91-4] B. Abbot et al. : "高速プリアンプを備えた可視光光子カウンタの研究" 1991年IEEE核科学シンポジウムおよび医療画像会議会議記録、サンタフェ、ニューメキシコ州、米国、pp.369-373 ISSN 1082-3654 doi :10.1109/NSSMIC.1991.258956 (1991)

[Petroff89a-5] MD PetroffとMG Stapelbroek：「光子計数型固体光電子増倍管」IEEE Transactions on Nuclear Science 36 (1) pp.158-162. ISSN 0018-9499. doi :10.1109/23.34424 (1989)

[McKay11-6] K. McKay「量子情報科学への応用のための可視光光子カウンターの開発」博士論文、デューク大学、http://hdl.handle.net/10161/4990 (2011)

[MICE11-7] M. Ellis et al. , “MICEシンチレーティングファイバートラッカーの設計、構築、性能,” Nuclear Instruments and Methods A659 pp.136–153 doi :10.1016/j.nima.2011.04.041 (2011)

[DZero95-9] D. Adams他：「VLPC読み出しを用いた大規模シンチレーティングファイバートラッカーの性能」IEEE Transactions on Nuclear Science 42 (4) pp.401-406 ISSN 0018-9499 doi :10.1109/23.467812 (1995)

[DZero06-10] D0コラボレーション：「改良型D0検出器」核計測法 A565 pp.463–537 doi :10.1016/j.nima.2006.05.248 (2006)