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고속 단일광자 검출기를 위한 과도응답 억제 방법 = Transient response suppression method for high speed single photon detector
서명 / 저자 고속 단일광자 검출기를 위한 과도응답 억제 방법 = Transient response suppression method for high speed single photon detector / 안승현.
저자명 안승현 ; Ahn, Seung Hyeon
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2016].
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초록정보

A current public system, RSA(Rivest-Shamir-Adleman), utilizes difficulty of factoring large integer in-to primes to establish security. However, the security cannot be guaranteed with a new factoring algorithm and/or powerful hardware. For example, a quantum computer can be factorized a large number very effi-ciently based on Shor algorithm. Fortunately, quantum mechanics offers an unconditionally secure key dis-tribution method. This system needs a single photon to send secure key. Then, the detector should be able to detect the transmitted single photon. An avalanche photo detector is commonly used in gated mode for the single photon detection. However, gate mode operation accompanies large transient response both at rising edge and falling edge due to capacitive nature of the avalanche photo diode. This transient response de-grades detection efficiency of the detector seriously. In this thesis, a new method to reduce transient response is proposed and performance improvement is proved using circuit simulation and experiment. To do this, an auxiliary circuit with a low pass filter is used. The auxiliary circuit consists of a RLC resonance circuit that mimics the avalanche photodiode to generate corresponding transient response. Then, the transient response of the avalanche photodiode can be sup-pressed by subtracting two responses. The low pass filter is used to eliminate unwanted high frequency re-sponse in the avalanche photodiode. The capacitance tuning of the resonance circuit with a varactor diode enables compensation of the quality factor degradation of the implemented resonance circuit. This feature is essential for high suppression ratio, since the real components accompany parasitic circuit elements inevitably. We investigate the suppression efficiency by simulation. Then, it is found that there exists an opti-mum bandwidth of the low pass filter, since it also filtered out the desired avalanche signal. The performance improvement is defined as the improvement of the signal to transient ratio before and after the suppression. It is possible to improve signal to transient ration about 36 dB, when the low pass filter bandwidth is 500 MHz. This can be compared with the best value of the other method of 33dB. We also found that the sup-pression can be maximize by tuning capacitance of the varactor. As an example, 10 % change of the capaci-tance brings about 7 dB degradation of the suppression performance from the optimum value. It is also pos-sible to operate the avalanche photodiode regardless of gate frequency. Fluctuation of performance im-provement is less than 3 dB from 10 MHz to 1 GHz.

현재 공개키방식인 RSA는 보안을 유지하기 위해 큰 수의 소인수분해 복잡성을 사용한다. 하지만, 이러한 방식은 새로운 알고리즘과 하드웨어가 개발될 경우 쉽게 깨질 수 있다. 예를들어 양자컴퓨터는 쇼어의 알고리즘을 사용할 경우 큰 수를 쉽게 소인수분해 할 수 있다. 다행히도 양자 역학은 무조건적인 비밀키 분배방법을 제시한다. 이 체계는 비밀키를 전송하기 위해 단일광자를 필요로 한다. 따라서 검출기는 전송된 단일광자를 검출할 수 있어야 한다. 아발란치 광 검출기는 단일광자를 검출하기 위해 게이트 모드로 운용한다. 그러나 게이트 모드로 운용할 경우 아발란치 광 검출기의 캐패시턴스 성분으로 인해 상승 시간과 하강 시간에 큰 과도응답을 동반하게 된다. 이것은 검출기의 검출효율을 심각하게 저하시키는 요인이 된다. 본 학위논문에서는 과도응답을 억제하기위 한 방법을 제안하며, 회로 시뮬레이션과 실험을 사용하여 성능을 증명하였다. 이를 위해 보조회로와 저역통과 여파기를 사용하였다. 보조회로는 RLC 공진 회로로 구성되어 있는데, 이는 아발란치 광 검출기의 과도응답을 동일하게 만들기 위해 모사한 것이다. 아발란치 광 검출기의 과도 응답은 두 응답을 상쇄시킴으로써 억제할 수 있다. 저역통과 여파기는 원치 않는 고주파 성분을 제거하기 위해 사용되었다. 공진회로에서 캐패시턴스를 바꿈으로써 기생 성분에 의한 공진회로의 품질계수 저하를 상쇄시킬 수 있었다. 시뮬레이션을 통해 억제되는 정도를 살펴보았다. 또한 저역통과 여파기의 대역폭의 최적값을 선정하였다. 성능향상정도는 과도응답을 억제하기 전과 후의 비율로 정의하였다. 500 MHz 저역통과 여파기를 사용할 경우 성능향상은 36dB를 달성하였다. 33dB를 달성한 다른 방법보다 우수한 성능을 보였다. 또한 캐패시턴스를 조절함으로써 최적의 억제성능을 달성하였다. 캐패시턴스가 10 % 변할경우 성능은 7 dB 저하되는 것을 확인하였다. 또한 제안하는 방법은 게이트 속도와 무관하게 동작시킬 수 있다. 10MHz부터 1 GHz 속도까지 성능향상의 변동은 3dB보다 작았다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {MEE 16005
형태사항 vi, 68 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Seung Hyeon Ahn
지도교수의 한글표기 : 이창희
지도교수의 영문표기 : Chang-Hee Lee
공동지도교수의 한글표기 : 신상영
공동지도교수의 영문표기 : Sang-Yung Shin
공동지도교수의 한글표기 : 유종원
공동지도교수의 영문표기 : Jong-Won Yu
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 전기및전자공학부,
서지주기 참고문헌 : p. 62-64
주제 단일광자 검출기
과도응답
캐패시티브 응답
억제방법
양자키분배
Single photon detector
Transient response
Capacitive response
Suppression method
Quantum key distribution
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