Transcript 深宇宙通信への応用に向けた サブ・ガイガーモード光子検出器の開発

深宇宙通信への応用に向けた
サブ・ガイガーモード光子検出器の開発
片岡研究室 宮本義人
（学籍番号：5310A094-6）
目次
1.
2.
3.
4.
5.
深宇宙通信について
サブ・ガイガーモード光子検出器について
光子検出器の性能評価
深宇宙通信の検証実験
まとめ
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深宇宙通信のターゲット
送られた電力
 火星や、その他の惑星との通信
◦ 距離：> 4億km
◦ 光が本命
届く電力：
電波通信
PT
PR  2 2
L
赤外レーザー光：1um
電波：1cm
赤外レーザー通信
電波通信
赤外レーザー通信
波長
1cm
1um
送信電力
35W
5W
データ送信速度
2.8 Mbits/s
46 Mbits/s
通信モジュールの直径
送信機:3m、受信機:34m
送信機:0.3m、受信機:5m3
火星探査機マーズ・リコネッサンス・オービターに搭載されている
高解像度カメラ（HiRISE）により撮影された火星の画像
http://hirise.lpl.arizona.edu/ESP_024398_1835
地球への画像転送時間は約90分！
（＠電波通信）
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NASAがおこなった検証実験
超伝導素子（SSPD）光子検出器デモ
 1ビット転送に必要な光子数
• 0.5 photons/bit
 データ転送速度
• 781 Mbits/s
データ転送速度が非常に高い
極低温（~1.8K）にする必要がある
火星の画像を、約40秒間で転送可能
（電波だと約90分間）
周波数変換型 Si APD光子検出器デモ（25アレー）
 1ビット転送に必要な光子数
• 0.47 photons/bit
 データ転送速度
• 188 Mbits/s
火星の画像を、約3分間で転送可能
（電波だと約90分間）
２
年
後
常温で動作可能、ジッターが短い
ワイヤー幅:100nm
波長変換をするため、消費電力・暗計数率が大きい
Opt. Lett., 31, 444 (2006).
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動機
 衛星搭載のためには、性能だけではなく、様々なコストを考
える必要あり
– 低消費電力
– コンパクト
– ・・・
 InGaAs APD光子検出器に注目している
（波長感度：1.0um～1.6um）
低消費電力、コンパクト
暗電流値・アフターパルス確率が高い
研究目的：
InGaAs APDをサブ・ガイガーモード動作させることで解決！
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アクティブ・クエンチング方式
Break down
voltage
光子入射
InGaAs APD 印加電圧
InGaAs APD 印加電圧
InGaAs APDの動作方式
サブ・ガイガーモード方式
時間
時間
アクティブ・クエンチング
サブ・ガイガーモード
発生キャリア数
○多い
×少ない
アフターパルス確率
暗計数率
×高い
○低い
低雑音電荷積分アンプ使用
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サブ・ガイガーモードInGaAs APD光子検出器
特徴
+HV（0V～59.205V）
－80℃冷却
低暗計数率・低アフターパルス
低消費電力
ペルチェ素子で冷却可能
シンプルな系
整形アンプ
1550nm
e-
電荷積分アンプ
カウンター
ディスクリミネーター
低雑音化のために、、
InGaAs APD
暗電流の低いAPDの選定
APDとCSAの冷却
CSA前段の入力容量を低減させる
固定タイプのBNCコネクタ使用
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Afterpulse probability
Counts / 10000s
Detection efficiency
光子検出器の性能評価
Dark count rate [Hz]
暗計数率DC：5.6Hz
（@検出効率DE：0.21%）
Time [ns]
ジッター：3.3ns RMS
Time [us]
アフターパルス確率
4.0%（τd=0us）
1.0%（τd=0.4us）
波長変換型
Si APD
（25アレ－）
アクティブ・クエンチング
InGaAs APD
（単素子）
サブ・ガイガーモード
InGaAs APD
（単素子）
暗計数率
（DC）
10kHz/アレー？
（@DE：7.6%）
428kHz
（@DE：28%）
5.6Hz
（@DE：0.21%）
ジッター
（J）
0.04ns RMS
< 0.85 ns RMS
3.3 ns RMS
アフターパルス
1.0%(τd=0.07us)
8.0%(τd=24us)
1.0%(τd=32us)
4.0%(τd=0us)
1.0%(τd=0.41us)
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深宇宙通信のフォーマット
オンオフ変調（OOK）通信
パルスポジション変調（PPM）通信
Bits/Symbolを増やすことで、受信感度向上
Slot数を増やすほど、暗計数率による影響大
{00}
{11}
{01}
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サブ・ガイガーモードInGaAs APD
光子検出器デモ
ビットエラーレート
Slot幅：30ns
7 Bit/Symbol
6 Bit/Symbol
9 Bit/Symbol
8 Bit/Symbol
検出した光子数 / ビット
「ビット数 / シンボル」を増やしても問題なし
⇒ データ転送速度の向上につながる
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データ転送速度100Mbpsを達成するためには？
波長変換型
Si APD
（25アレー）
アクティブ・クエンチ
ング InGaAs APD
（単素子）
サブ・ガイガーモード
InGaAs APD
（単素子）
暗計数率
（DC）
10kHz/アレー？
（@DE：7.6%）
428kHz
（@DE:28%）
5.6Hz
（@DE：0.21%）
ジッター
（J）
0.04ns RMS
< 0.85 ns RMS
3.3 ns RMS
アフターパルス
-
8.0%(τd=24us)
1.0%(τd=32us)
4.0%(τd=0us)
1.0%(τd=0.41us)
最大カウントレート
2.5MHz / アレー
33kHz
最大 5.3MHz
（実測：>2.5MHz）
PPM通信での
データ転送速度
187.5 Mbps
（@6 Bits/Symbol）
0.1 Mbps
（@6 Bits/Symbol）
最大7.5 Mbps
（@6 Bits/Symbol）
8×8アレーと8波長多重をつかえば、
データ転送速度100Mbps達成可能
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まとめ
 光子検出器の性能評価をおこなった結果、「暗計数率・アフ
ターパルス確率」を低くすることに成功した
 PPM通信では、Bits/Symbolを増やしても、暗計数によるビット
エラーレートの悪化は見られなかった
 8×8アレーと8波長多重をつかえば、NASAが目標としている
データ転送速度：100Mbpsを達成できる可能性を示した
ご静聴ありがとう
ございました
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