The nature of light at low-light-level has the peculiar characteristics. Based itself on this principle of physics, Quantum Cryptography suggests the possibility of secure and safe communication that are beyond the limits of classical computer science. Here, one of the most essential problems of quantum cryptography is to control single quanta: single photon. When the ideal single photon source is used in experiments on the quantum mechanics having non-classical properties and the quantum information, it is necessary to detect it. And it is important that such a detector provides high quantum efficiency and low dark counts.
Detectors focusing on these factors have been developed at a few research groups and are commercially available. This thesis reports on photon counting experiment with the high sensitive detectors such as a photomultiplier tube and a avalanche photodiode in the near-infrared (NIR, 1~2μm wavelength). Important properties of the detectors were measured: Noise-Equivalent Power (NEP), Signal-to-Noise Ratio (S/N), Quantum Efficiency (QE), Dark Counts. The APD was operated with higher quantum efficiency (~10%) than PMT (~0.1%). In order to decrease dark counts, the APD used in Geiger-mode was operated under a gated-condition, where an AC voltage signal is added to the DC bias voltage upon triggering.
The stable photon router based on fiber-optic Sagnac interferometer was experimentally demonstrated.
To study the photon statistics, the total counts probability was measured for the two different optical source: below-threshold laser with Bose-Einstein distribution, and above-threshold laser with Poisson distribution.
낮은 광량 검출에 대한 연구는 최근에 크게 관심을 끌고 있는 분야중의 하나이다.
특히 단일 광자 검출은 양자암호학에 있어서 필수불가결한 요소로서 많은 연구가 활발히 진행되고 있다. 일반적인 PIN 구조의 광다이오드로는 전기적인 회로에서 발생하는 잡음을 구별할 만큼 큰 전기적인 신호를 얻을 수 없기 때문에, 이를 극복하기 위해서는 내부의 이득 메카니즘을 가진 구조가 필요하다. 이러한 대표적인 광검출기로는 단일광자 아발란치 광다이오드로 불리는 반도체 광검출기(SAPD)와 음극과 양극사이에 증폭판을 넣어서 작동시키는 광증폭관(PMT)검출기가 있다.
실험에서 특히 관심 있는 파장 영역은 1550nm인데 이는 향후 광섬유를 이용한 양자암호학에 큰 응용성이 있기 때문이다. 본 연구에서는 이러한 영역의 파장을 검출하기 위해서 0.73eV의 밴드갭을 갖는 InGaAs물질을 이용한 상업적으로 판매되고 있는 InGaAs/InP 아발란치 광다이오드와 광증폭관 검출기를 사용하였다.
본 연구에서는 광자 계수 실험 장치를 구성하여 이러한 검출기의 특성에 관해 살펴보았다. 양자 암호학이나 양자 광학 실험을 하기 위해서는 높은 효율을 가진 검출기가 필요한데, 측정 결과 아발란치 광다이오드의 검출 효율이 (~10%) 광증폭기(~0.1%)에 비해 높았다.
또한, 상대적으로 높은 효율을 보이는 아발란치 광다이오드를 이용하여 레이저가 자발 방출일 경우와 유도 방출일 경우의 광자 통계의 특성을 살펴봄으로써 빛의 양자적인 관점에서 보면 차이가 있다는 것을 살펴보았다.
