(57)【要約】【課題】光子との光カップリング性および光吸収性の両方に優れた超伝導単一光子検出素子を提供する。【解決手段】超伝導単一光子検出素子１００は、酸化マグネシウムからなる基板１０と、基板１０の表面に形成された窒化ニオブ配線１３と、窒化ニオブ配線１３上に形成されたキャビティ層１２と、キャビティ層１２上に形成された反射層１１と、基板１０の裏面に形成された反射防止層１４と、を備える。窒化ニオブ配線１３は、所定のバイアス電流が流れるよう、伝送線路１５を介してバイアス源に接続されて、超伝導状態において使用される。基板１０の裏面側から窒化ニオブ配線１３に光子Ｐが入射した際の窒化ニオブ配線１３の抵抗変化に基づいて、光子Ｐが１個ずつ検出される。光カップリング効率Ｐｃが飽和する基板１０の厚み範囲Ｌ１opt内に、基板１０の厚みＬ１が設定されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化マグネシウムからなる基板と、
前記基板の表面に形成された窒化ニオブ配線と、
前記窒化ニオブ配線上に形成されたキャビティ層と、
前記キャビティ層上に形成された反射層と、
前記基板の裏面に形成された反射防止層と、
を備え、
前記窒化ニオブ配線は、所定のバイアス電流が流れるよう、伝送線路を介してバイアス源に接続されて、超伝導状態において使用され、
前記基板の裏面側から前記窒化ニオブ配線に光子が入射した際の前記窒化ニオブ配線の抵抗変化に基づいて、前記光子が１個ずつ検出され、
光カップリング効率が飽和する前記基板の厚み範囲内に、前記基板の厚みが設定されている、超伝導単一光子検出素子。
【請求項２】
前記基板の厚みは、前記厚み範囲の最大値付近に設定されている、請求項１に記載の超伝導単一光子検出素子。
【請求項３】
酸化マグネシウムからなる基板の表面に窒化ニオブ層をエピタキシャル成長する工程と、
前記窒化ニオブ層のパターニングにより、メアンダ状の窒化ニオブ配線を形成する工程と、
前記窒化ニオブ配線を覆うようにキャビティ層を形成する工程と、
前記キャビティ層上に反射層を形成する工程と、
前記基板の裏面を削ることにより、前記基板の厚みを調整する工程と、
前記基板の厚みの調整工程の後、前記基板の裏面に反射防止層を形成する工程と、
を含む超伝導単一光子検出素子の製造方法。
【請求項４】
請求項１または２に記載の超伝導単一光子検出素子と光伝送手段とを、パッケージブロックに実装する超伝導単一光子検出器の部品の実装方法であって、
前記パーケージブロックに形成された貫通孔にダミー基板を被せることにより、前記ダミー基板上に密着されたクリアランス調整部材を前記貫通孔内に配する工程と、
前記貫通孔内に前記光伝送手段を挿入することにより、前記光伝送手段の先端を前記クリアランス調整部材に当接させる工程と、
前記ダミー基板を除去して、前記超伝導単一光子検出素子の基板の反射防止層が前記光伝送手段の先端と対置するよう、前記超伝導単一光子検出素子を前記貫通孔に被せる工程と、
を含む超伝導単一光子検出器の部品の実装方法。
【請求項５】
前記光伝送手段の先端が前記クリアランス調整部材に当接した状態で、前記光伝送手段を前記パーケージブロックに樹脂材料を用いて固定する工程を更に含む請求項４に記載の超伝導単一光子検出器の部品の実装方法。
【請求項６】
前記超伝導単一光子検出素子を前記貫通孔に被せた後、前記超伝導単一光子検出素子を前記パーケージブロックにエレクトロンワックスを用いて固定する工程を更に含む請求項４に記載の超伝導単一光子検出器の部品の実装方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導単一光子検出素子、超伝導単一光子検出素子の製造方法および、超伝導単一光子検出素子を備える超伝導単一光子検出器（Superconducting Single Photon Detector；以下、「ＳＳＰＤ」と略す場合がある）の部品の実装方法に関する。特に、本発明は、窒化ニオブ（ＮｂＮ）からなる超伝導状態の窒化ニオブ配線（以下、「ナノワイヤ」と略す場合がある）を用いた超伝導単一光子検出素子の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
光子を１個ずつ検出できる超伝導単一光子検出素子は、盗聴を不可能にする量子暗号通信などの量子通信分野への利用が期待されている。
【０００３】
このような超伝導単一光子検出素子の一例として、単一の窒化ニオブ層が酸化マグネシウム基板（ＭｇＯ基板）上に形成された単層構造の検出素子（以下、「単層構造素子」と略す）がすでに開発されている。
【０００４】
この単層構造出素子では、窒化ニオブ層からなるメアンダ状（蛇行形状）のナノワイヤが、ＭｇＯ基板の表面に配され、これにより、ＭｇＯ基板の表面に向けて光を入射できる。よって、単層構造素子は、光ファイバから出射された光をナノワイヤ上に容易に集光でき、光子との光カップリング性に優れている。  
【０００５】
しかし、単層構造素子では、光吸収効率が、ナノワイヤでの光反射および光透過特性によって制約されるといった欠点がある。つまり、薄膜（厚み６ｎｍ程度）のナノワイヤにおいて光の反射や透過が生じて、ナノワイヤによる光吸収性が芳しくなく（光吸収効率が最大でも３０％程度と予測される）、ひいては、単層構造素子を用いたＳＳＰＤの光検出効率の低下を招いている。
【０００６】
なお、本明細書において、「光検出効率」とは、ＳＳＰＤのシステムとしての検出効率を指し、光子検出システムに単一光子を入れる際の、当該光子を検出できる確率を指す。具体的には、光検出効率Ｒは、下記式（１）で表される。
【０００７】
Ｒ＝Ｐｃ×Ｐａ×Ｐｄ・・・（１）
【０００８】
式（１）において、「Ｐｃ」は、光子がナノワイヤとカップリングできる割合に対応する光カップリング効率である。「Ｐａ」は、ナノワイヤでの光子吸収割合に対応する光吸収効率である。また、Ｐｄは、光子が受光素子に入射した際に信号が発生する割合に対応する素子検出効率である。
【０００９】
ところで、光検出効率Ｒを改善させる目的で、単層構造素子に代えて、積層構造（光キャビティ構造）の超伝導単一光子検出素子（以下、「従来の積層構造素子」と略す）が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【００１０】
この従来の積層構造素子では、サファイア基板の表面側に、窒化ニオブ層（後工程においてメアンダ状のナノワイヤに微細加工）、誘電体キャビティ層（例えば、水素シルセスキオキサン（ＨＱＳ）からなるキャビティ層）および反射層（例えばＡｕ（金）層）が配されている。
【００１１】
以上の構成により、キャビティ層内に光子を閉じ込めることができるので、単層構造素子に比べて吸収効率Ｐａが改善する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】23 January 2006/Vol.14, No 2/OPTICS EXPRESS 527-534
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、従来の積層構造素子では、受光素子を構成するナノワイヤが形成されたサファイア基板の表面と反対の裏面側から光を照射する必要がある。よって、受光面積の小さなナノワイヤ素子に入射光を集光させることが難しく、光子との光カップリング性において難点がある。このため、従来の積層構造素子では、光カップリング効率Ｐｃが、単層構造素子に比べて悪化して、却って、光検出効率Ｒの向上が図れないことがある。
【００１４】
以上のとおり、単層構造素子および従来の積層構造素子の何れにも、光検出効率Ｒの向上において一長一短がある。
【００１５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、光子との光カップリング性および光吸収性の両方に優れた超伝導単一光子検出素子を提供することを目的とする。
【００１６】
また、本発明は、このような超伝導単一光子検出素子の製造方法を提供することも目的とする。
【００１７】
更に、本発明は、このような超伝導単一光子検出素子が実装されたＳＳＰＤの部品の実装方法を提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決するため、本発明は、酸化マグネシウムからなる基板と、前記基板の表面に形成された窒化ニオブ配線と、前記窒化ニオブ配線上に形成されたキャビティ層と、前記キャビティ層上に形成された反射層と、前記基板の裏面に形成された反射防止層と、を備え、
前記窒化ニオブ配線は、所定のバイアス電流が流れるよう、伝送線路を介してバイアス源に接続されて、超伝導状態において使用され、
前記基板の裏面側から前記窒化ニオブ配線に光子が入射した際の前記窒化ニオブ配線の抵抗変化に基づいて、前記光子が１個ずつ検出され、
光カップリング効率が飽和する前記基板の厚み範囲内に、前記基板の厚みが設定されている、超伝導単一光子検出素子を提供する。
【００１９】
以上の構成により、本発明の光キャビティ構造の超伝導単一光子検出素子では、基板の厚みの設定が適切に行われるので、光カップリング効率の向上に資することができる。その結果、ＳＳＰＤの光検出効率が従来の積層構造素子よりも向上する。
【００２０】
なお、本発明の超伝導単一光子検出素子では、前記基板の厚みを、前記厚み範囲の最大値付近に設定してもよい。
【００２１】
以上の構成により、超伝導単一光子検出素子の基板の機械的な強度を保持する事が可能となる。
【００２２】
また、本発明は、酸化マグネシウムからなる基板の表面に窒化ニオブ層をエピタキシャル成長する工程と、前記窒化ニオブ層のパターニングにより、メアンダ状の窒化ニオブ配線を形成する工程と、前記窒化ニオブ配線を覆うようにキャビティ層を形成する工程と、前記キャビティ層上に反射層を形成する工程と、前記基板の裏面を削ることにより、前記基板の厚みを調整する工程と、前記基板の厚みの調整工程の後、前記基板の裏面に反射防止層を形成する工程と、を含む超伝導単一光子検出素子の製造方法を提供する。
【００２３】
以上の製造方法により、基板の厚みをリアルタイムにモニターしながら基板を削ることできるので、基板を所望の厚さに容易に制御できる。
【００２４】
また、本発明は、上記記載の超伝導単一光子検出素子と光伝送手段とを、パッケージブロックに実装する超伝導単一光子検出器の部品の実装方法であって、前記パーケージブロックに形成された貫通孔にダミー基板を被せることにより、前記ダミー基板上に密着されたクリアランス調整部材を前記貫通孔内に配する工程と、前記貫通孔内に前記光伝送手段を挿入することにより、前記光伝送手段の先端を前記クリアランス調整部材に当接させる工程と、前記ダミー基板を除去して、前記超伝導単一光子検出素子の基板の反射防止層が前記光伝送手段の先端と対置するよう、前記超伝導単一光子検出素子を前記貫通孔に被せる工程と、を含む超伝導単一光子検出器の部品の実装方法を提供する。
【００２５】
以上の超伝導単一光子検出素子の部品の実装方法により、光伝送手段の先端と超伝導単一光子検出素子の基板（反射防止層）との間の距離に相当するクリアランスが適量に調整できる。
【００２６】
また、以上のパッケージング方式の実装方法により、ＳＳＰＤをコンパクトに構成できる。よって、このＳＳＰＤは、量子暗号通信などの量子通信分野への利用を考慮した場合の多チャンネル化においてコスト対応力に優れる。
【００２７】
また、本発明の超伝導単一光子検出器の部品の実装方法では、前記光伝送手段の先端が前記クリアランス調整部材に当接した状態で、前記光伝送手段を前記パーケージブロックに樹脂材料を用いて固定する工程を更に含んでもよい。
【００２８】
これにより、光伝送手段が適切に固定され、クリアランスが適量に維持される。
【００２９】
また、本発明の超伝導単一光子検出器の部品の実装方法では、前記超伝導単一光子検出素子を前記貫通孔に被せた後、前記超伝導単一光子検出素子を前記パーケージブロックにエレクトロンワックスを用いて固定する工程を更に含んでもよい。
【００３０】
以上のエレクトロンワックスにより、超伝導単一光子検出素子が、パーケージブロックに適切に固定され、クリアランスが適量に維持される。また、超伝導単一光子検出素子とパーケージブロックとの間の熱伝導性が適切に向上する。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、光子との光カップリング性および光吸収性の両方に優れた超伝導単一光子検出素子が得られる。
【００３２】
また、本発明によれば、このような超伝導単一光子検出素子の製造方法も得られる。
【００３３】
更に、本発明によれば、このような超伝導単一光子検出素子が実装されたＳＳＰＤの部品の実装方法も得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施形態の超伝導単一光子検出素子の一構成例を模式的に示した図である。
【図２】本発明の実施形態の超伝導単一光子検出素子による光子の検出法の説明に用いる模式図である。
【図３】本発明の実施形態の超伝導単一光子検出素子の製造方法の各工程を示した断面図である。
【図４】本発明の実施形態のＳＳＰＤの構成の説明およびＳＳＰＤの部品の実装方法の説明に用いる図である。
【図５】光干渉測定システムの一例を模式的に示したブロック図である。
【図６】ＳＳＰＤ（４００μｍ）およびＳＳＰＤ（４５μｍ）のそれぞれの光検出効率を示した図である。
【図７】ＭｇＯ基板の厚みが薄い場合に光カップリング効率が向上することを説明するための図である。
【図８】ＳＳＰＤの光カップリング効率（光検出効率）についてＭｇＯ基板の厚み（光路長）の依存性を示した図である。
【図９】本実施形態の超伝導単一光子検出素子の受光素子が搭載されたＭｇＯ基板の研磨に用いる研磨システムを示した図である。
【図１０】光ファイバが光ファイバ保持用ブロックに実装された写真を掲載した図である。
【図１１】受光素子が搭載されたＭｇＯ基板が素子保持用ブロックに実装された写真を掲載した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明の実施形態の超伝導単一光子検出素子１００について図面を参照しながら説明する。
【００３６】
図１は、本発明の実施形態の超伝導単一光子検出素子の一構成例を模式的に示した図である。図１（ａ）は、超伝導単一光子検出素子の受光素子周辺を上方から平面視した図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った部分の断面を示した断面図である。
【００３７】
図１に示すように、本実施形態の超伝導単一光子検出素子１００は、光子Ｐが酸化マグネシウム（ＭｇＯ）単結晶基板１０（以下、「ＭｇＯ基板１０」と略す）の裏面側から入射する裏面入射式の光キャビティ構造を備える。
【００３８】
まず、超伝導単一光子検出素子１００の受光素子Ｓの平面構造について述べる。
【００３９】
超伝導単一光子検出素子１００の受光素子Ｓは、平面視においては、図１（ａ）に示すように、メアンダ状（蛇行形状）のナノワイヤ１３を備える。このナノワイヤ１３は、例えば、数十〜数百ナノメートル（ここでは、１００ｎｍ）線幅で所定のピッチ（ここでは、１６０ｎｍピッチ）に形成され、適宜の冷却手段（例えば、ＧＭ型冷凍機）を用いて超伝導状態で使用される。受光素子Ｓのサイズは、例えば、１５×１５μｍ角程度にするとよい。
【００４０】
なお、このナノワイヤ１３は、数ナノメートル（ここでは、６ｎｍ）の厚みの窒化ニオブ層１３Ａを、電子線などを用いてパターニングすることにより製作することができる。      
【００４１】
また、ナノワイヤ１３は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、略Ｕ次状の伝送経路１５（厚み：１５０ｎｍ）と矩形状の伝送経路１５（厚み：１５０ｎｍ）とに接続されている。また、ナノワイヤ１３は、臨界電流を僅かに下回る所望のバイアス電流が流れるように、伝送経路１５を介してバイアス源（図示せず）の出力端子に接続されている。このように、伝送経路１５は、ナノワイヤ１３にバイアス電流を流す経路として機能している。
【００４２】
なお、この伝送経路１５は、窒化ニオブ層１３Ａとの接触面で超伝導単一光子検出素子１００が破壊され難くする目的で、窒化ニオブ層１３Ａと同じ材料により構成するとよい。
【００４３】
次に、超伝導単一光子検出素子１００の受光素子Ｓの積層構造について述べる。
【００４４】
超伝導単一光子検出素子１００は、断面視においては、図１（ｂ）に示すように、ＭｇＯ基板１０と、ＭｇＯ基板１０の表面に設けられた積層体１０１と、ＭｇＯ基板１０の裏面に形成された反射防止層１４と、を備える。そして、受光素子Ｓは、以下に詳述する積層体１０１によって構成されている。
【００４５】
なお、本実施形態の超伝導単一光子検出素子１００では、ＭｇＯ基板１０を、例えば、４００μｍ程度の厚板を研磨ことにより、厚みＬ１が４５μｍ程度の薄板に形成することを特徴とするが、ＭｇＯ基板１０を薄板に形成する理由は後述する。ＭｇＯ基板１０のサイズは、例えば、３ｍｍ角程度にするとよい。
【００４６】
積層体１０１は、図１（ｂ）に示すように、ＭｇＯ基板１０上に堆積されたベタ状の窒化ニオブ層１３Ａがパターニングされてなるナノワイヤ１３（窒化ニオブ配線）と、このナノワイヤ１３を覆うように形成されたキャビティ層１２と、キャビティ層１２上に形成された反射層１１と、を備える。
【００４７】
積層体１０１の反射層１１は、ここでは、厚みが約１２０ｎｍの金属製（例えば、金（Ａｕ））の薄膜反射ミラーである。但し、反射層１１として、反射率に優れた部材であれば、他の部材（例えば、銀（Ａｇ）の薄膜反射ミラー）を用いてもよい。
【００４８】
積層体１０１のキャビティ層１２は、ここでは、一酸化珪素（ＳｉＯ）からなり、厚みが約２５０ｎｍに設定された光共振器として機能する層である。但し、キャビティ層１２として、他の誘電体材料（例えば、二酸化珪素）を用いてもよい。
【００４９】
以上の反射層１１およびキャビティ層１２によって、ＭｇＯ基板１０の裏面から受光素子Ｓに入射した光子Ｐはキャビティ層１２内に適切に閉じ込められる。
【００５０】
また、反射防止層１４は、ここでは、アモルファスフッ素樹脂（旭硝子社製、製品名”サイトップ”）からなり、厚みが約２００〜３００ｎｍに設定され、受光素子Ｓ内に光子Ｐが入る際の反射を防止する無反射コート層である。
【００５１】
次に、超伝導単一光子検出素子１００の受光素子Ｓにおける光子Ｐの検出法について概説する。
【００５２】
図２は、本実施形態の超伝導単一光子検出素子による光子の検出法の説明に用いる模式図である。
【００５３】
図２に示すように、ナノワイヤ１３に光子Ｐ（シングルフォトン）が入射すると、光子Ｐが入射した箇所ではキャップエネルギーを超えることになり、その結果、ホットスポットという常伝導領域Ａ（高抵抗領域）が発生する。この場合、図２の拡大図に示すように、電流Ｃは、高抵抗の領域Ａを迂回するように領域Ａの両側のナノワイヤ１３の部分に集中的に流れる。すると、領域Ａの周囲を流れる電流Ｃは臨界電流を超え、領域Ａの両側の部分も常伝導状態になり、常伝導状態の領域Ａは、ナノワイヤ１３の幅方向全域に亘るように一時的に広がる。このようにして、常伝導領域Ａの発生および常伝導領域Ａの超伝導状態への回復過程におけるナノワイヤ１３の幅方向全域に亘る抵抗変化に基づいて、ナノワイヤ１３に入った光子Ｐは、電圧信号として１個ずつ適切に検出され、この電圧信号が伝送経路１５から外部に取り出される。
【００５４】
なお、以上のナノワイヤ１３を臨界電流近傍にバイアスすることにより、光子Ｐを１個ずつ検出できる超伝導単一光子検出素子の検出法自体は公知である（例えば、公知文献としての「IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL.11, NO.1, MARCH 2001 P574-577」参照）。よって、この検出法の詳細な説明は省略する。  
【００５５】
また、本実施形態の超伝導単一光子検出素子１００では、上述のとおり、受光素子Ｓの検出可能領域を可能な限り広げて、光子Ｐとの光カップリングを容易にするよう、ナノワイヤ１３をメアンダ状に形成しているが、メアンダタイプのナノワイヤについても、上述の公知文献や上述の非特許文献１に記載されている。よって、メアンダ構造のナノワイヤの詳細な説明についても省略する。
【００５６】
次に、本実施形態の超伝導単一光子検出素子１００の製法について説明する。
【００５７】
図３は、本発明の実施形態の超伝導単一光子検出素子の製造方法の各工程を示した断面図である。
【００５８】
但し、図３では、超伝導単一光子検出素子１００の構成要件の一部（例えば、伝送経路１５や反射防止層１４など）の図示が省略されている。
【００５９】
まず、単結晶の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなり、厚みが約４００μｍのマザー基板１０Ａ（以下、「ＭｇＯ基板１０Ａ」と略す）の（１００）表面（おもて面）上に、ベタ状の窒化ニオブ層１３Ａが、Ｎｂ（ニオブ）ターゲットを用いた直流反応性スパッタリングによりエピタキシャル成膜される。この場合、放電ガスにアルゴンガスを使用し、反応ガスに窒素ガスを使用するとよい。
【００６０】
次に、窒化ニオブ層１３Ａを、電子線リソグラフィなどを活用した微細加工技術を用いてパターニングすると、図３（ａ）に示すように、ナノワイヤ１３を形成することができる。
【００６１】
次いで、図３（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、キャビティ層１２を堆積するための窓１０３が、フォトレジスト１０２に形成される。
【００６２】
そして、図３（ｃ）に示すように、一酸化珪素（ＳｉＯ）からなる厚みが約２５０ｎｍのキャビティ層１２が、フォトレジスト１０２の窓１０３内において、ナノワイヤ１３を覆うよう、真空蒸着によりＭｇＯ基板１０Ａ上に成膜される。
【００６３】
更に、図３（ｃ）に示すように、金（Ａｕ）からなる厚みが約１２０ｎｍの反射層１１が、フォトレジスト１０２の窓１０３内において、真空蒸着によりＭｇＯ基板１０Ａのキャビティ層１２上に成膜される。
【００６４】
次いで、図３（ｄ）に示すように、フォトレジスト１０２が除去されると、受光素子Ｓ（積層体１０１）が得られる。
【００６５】
次いで、図示を省略しているが、ＭｇＯ基板１０Ａの裏面を研磨することにより、ＭｇＯ基板１０Ａの厚みの調整が行われる。なお、ＭｇＯ基板１０Ａの研磨法の一例については、後述の実施例において述べる。
【００６６】
これにより、厚みＬ１が４５μｍ程度のＭｇＯ基板１０（図１参照）が得られる。  
【００６７】
その後、ＭｇＯ基板１０の裏面に反射防止層１４（図１参照）が形成される。
【００６８】
このようにして、超伝導単一光子検出素子１００（図１参照）を製造できる。
【００６９】
次に、以上の超伝導単一光子検出素子１００が実装されたＳＳＰＤ２００について図面を参照しながら説明する。
【００７０】
図４は、本発明の実施形態のＳＳＰＤの構成の説明およびＳＳＰＤの部品の実装方法の説明に用いる図である。
【００７１】
なお、ＳＳＰＤ２００の構成については、図４（ｄ）に示されているが、ここでは、超伝導単一光子検出素子１００の構成要素の一部（例えば、反射防止層１４）の図示が省略されている。
【００７２】
図４（ｄ）に示すように、ＳＳＰＤ２００の主要な部品（構成要素）として、銅製のパーケージブロック２２と、光ファイバ２３（光伝送手段）と、超伝導単一光子検出素子１００と、がある。
【００７３】
光ファイバ２３は、ファイバコア径（直径）が９μｍ程度の光ファイバ心線２３Ａと、光ファイバ心線２３Ａを被覆するフェルール２３Ｂ（光コネクタ）とを備える。
【００７４】
また、パーケージブロック２２は、超伝導単一光子検出素子１００の保持に用いる素子保持用ブロック２０と、光ファイバ２３の保持に用いる光ファイバ保持用ブロック２１とを備える。素子保持用ブロック２０の両端面２０Ａ、２０Ｂおよび光ファイバ保持用ブロック２１の両端面２１Ａ、２１Ｂでは、表面仕上げが施されており、平滑面となっている。
【００７５】
更に、光ファイバ保持用ブロック２１の中央部には、光ファイバ２３のフェルール２３Ｂを挿入できる程度の貫通孔２１Ｃが形成されている。また、素子保持用ブロック２０の中央部にも、厚みが約２０μｍのフィルム状のクリアランス調整部材２５の外寸よりも大きく、かつ、ダミーのフラット基板２６（ダミー基板）の外寸よりも小さい貫通孔２０Ｃが形成されている。なお、貫通孔２０Ｃの外寸は、貫通孔２１Ｃの外寸よりも大きい。また、フラット基板２６の外寸は、ＭｇＯ基板１０の外寸と同じ寸法になっている。
【００７６】
次に、超伝導単一光子検出素子１００と光ファイバ２３とを、パッケージブロック２２に実装するＳＳＰＤ２００の部品の実装方法について図面を参照しながら説明する。
【００７７】
図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、素子保持用ブロック２０の端面２０Ｂと光ファイバ保持用ブロック２１の端面２１Ａとが互いに密着するよう、両者は固定ボルト（図示せず）によって締結され、これにより、パーケージブロック２２が使用される。そして、この場合、光ファイバ保持用ブロック２１の貫通孔２１Ｃの中心軸と、素子保持用ブロック２０の貫通孔２０Ｃの中心軸と、がほぼ一致するよう、素子保持用ブロック２０および光ファイバ保持用ブロック２１は互いに固定される。よって、このような一対の貫通孔２０Ｃ、２１Ｃが、パーケージブロック２２に形成された貫通孔として機能する。
【００７８】
なお、素子保持用ブロック２０は、図示しないボルト締結部の遊びにより、その端面２０Ａの面内方向に僅かに動かすこともできる。このため、図４（ｄ）のＳＳＰＤ２００では、光ファイバ２３から光を出射されることにより、受光素子Ｓの面内方向の光ファイバ２３との間の位置を、当該出射光の目視により調整できる。
【００７９】
以上のパーケージブロック２２において、図４（ｂ）に示すように、貫通孔２０Ｃにフラット基板３６を被せることにより、このフラット基板２６の表面上に密着されたクリアランス調整部材２５を貫通孔２０Ｃ内に配置させる。
【００８０】
次に、図４（ｂ）に示すように、貫通孔２１Ｃ、２０Ｃ内に光ファイバ２３のフェルール２３Ｂを挿入することにより、フェルール２３Ｂの先端（ファイバ端）をクリアランス調整部材２５に当接させる。
【００８１】
次いで、図４（ｃ）に示すように、光ファイバ２３のフェルール２３Ｂの先端がクリアランス調整部材２５に当接した状態で、フェルール２３Ｂの後部を、光ファイバ保持用ブロック２１にエポキシ樹脂２４を用いて固定する。これにより、光ファイバ２３が、光ファイバ保持用ブロック２１に適切に固定され、クリアランスＬ２が適量に維持される。
【００８２】
最後に、図４（ｄ）に示すように、フラット基板２６を除去して、超伝導単一光子検出素子１００のＭｇＯ基板１０に形成された反射防止層１４（図４では図示省略）が光ファイバ２３のフェルール２３Ｂの先端と対置するよう、超伝導単一光子検出素子１００を貫通孔２０Ｃに被せる。
【００８３】
以上のＳＳＰＤ２００の部品の実装方法により、ＭｇＯ基板１０（反射防止層１４）とフェルール２３Ｂの先端（ファイバ端）との間の距離に相当するクリアランスＬ２が、適量（ここでは、約２０μｍ）に調整されたＳＳＰＤ２００が得られる。
【００８４】
そして、このようなパーケージング方式のＳＳＰＤ２００では、ナノステージ方式の実装技術（詳細な説明は省略）と比べて高価なステージが不要となり、コンパクトに構成できる。よって、このＳＳＰＤ２００は、量子暗号通信などの量子通信分野への利用を考慮した場合の多チャンネル化においてコスト対応力に優れる。
【００８５】
なお、ＭｇＯ基板１０の厚みＬ１の調整およびクリアランスＬ２の調整により、超伝導単一光子検出素子１００の光検出効率Ｒ（光カップリング効率Ｐｃ）が改善できるが、この理由は後述する。
【００８６】
また、超伝導単一光子検出素子１００を貫通孔２０Ｃに被せた後、この超伝導単一光子検出素子１００のＭｇＯ基板１０を素子保持用ブロック２０にエレクトロンワックス（詳細は後述）を用いて固定すると、両者間の熱伝導性を向上できるので都合がよい。よって、ＧＭ冷凍機（図示せず）を用いて、銅製のパーケージブロック２２を極低温（４Ｋ程度）に冷却する場合に、超伝導単一光子検出素子１００を効率的に超伝導状態にできる。
【００８７】
次に、本実施形態の超伝導単一光子検出素子１００の光カップリング効率Ｐｃ（光検出効率Ｒ）の、ＭｇＯ基板１０の厚みＬ１の依存性について説明する。
【００８８】
まず、ＭｇＯ基板１０Ａを用いたＳＳＰＤ（以下、「ＳＳＰＤ（４００μｍ）」と略す）において、光検出効率Ｒの実測を行い、その後、当該ＭｇＯ基板１０Ａの裏面を研磨することにより、ＭｇＯ基板１０を用いたＳＳＰＤ（以下、「ＳＳＰＤ（４５μｍ）」と略す）において、再び光検出効率Ｒの実測を行った。
【００８９】
なお、以上のＳＳＰＤ（４００μｍ）およびＳＳＰＤ（４５μｍ）では、反射防止層１４を配していない。これにより、両者の光検出効率Ｒが簡易に比較できる。
【００９０】
また、光検出効率Ｒの実測に先立って、公知の光干渉測定技術により、ＳＳＰＤ（４００μｍ）およびＳＳＰＤ（４５μｍ）のそれぞれの厚みＬ１およびクリアランスＬ２が、所望の値になっていることを確認した。
【００９１】
例えば、図５に、光干渉測定システム３００の一例が示されている。
【００９２】
図５の光干渉測定システム３００では、波長可変レーザ４１により波長が異なる入射光が、光サーキュレータ４２を通ってＳＳＰＤに入射する。すると、この入射光は、光ファイバ２３の端面、ＭｇＯ基板１０、１０Ａの表面、および、ＭｇＯ基板１０、１０Ａの裏面で反射する。そして、この反射光は、光サーキュレータ４２を通って光パワーメータ４０に入り、ここで、反射光の強度が測定される。
【００９３】
このようにして、光ファイバ２３の端面、ＭｇＯ基板１０、１０Ａの表面、および、ＭｇＯ基板１０、１０Ａの裏面において反射された反射光の光干渉が起こり、光干渉による反射光の強度の変動からＳＳＰＤ（４００μｍ）およびＳＳＰＤ（４５μｍ）における厚みＬ１およびクリアランスＬ２を確認できる。
【００９４】
図６は、ＳＳＰＤ（４００μｍ）およびＳＳＰＤ（４５μｍ）のそれぞれの光検出効率を示した図である。
【００９５】
図６の横軸には、システムの雑音に相当する暗計数（ｃ／ｓ；カウント／秒）が取られ、図６の縦軸には、光検出効率Ｒ（％）が取られている。
【００９６】
図６に示すように、ある所望の暗計数（１０２ｃ／ｓ）において、ＳＳＰＤ（４００μｍ）の光検出効率Ｒが０．５％であったのに対し、ＳＳＰＤ（４５μｍ）の光検出効率Ｒが２．１％であった。また、図６から容易に理解できるとおり、全ての暗計数に亘って、ＳＳＰＤ（４５μｍ）の光検出効率ＲがＳＳＰＤ（４００μｍ）の光検出効率Ｒよりも高くなっている。
【００９７】
以上の検討実験により、ＭｇＯ基板の厚みＬ１が薄いと、光検出効率Ｒが向上することが分かった。これは、光ファイバ２３のファイバ端（コア径：約９μｍ）から出射する光がガウシアンビーム形状により近似できるとすると、図７に示す如く、このガウシアンビームの広がりに基づいて理解できる。
【００９８】
つまり、ＳＳＰＤ（４００μｍ）では、図７（ａ）に示すように、光ファイバ２３のファイバ端と受光素子Ｓとの間の距離が長いので（Ｌ１＋Ｌ２＝４２０μｍ）、ガウシアンビームの一部（裾近傍の光）が、受光素子Ｓに入射できない。このため、ＳＳＰＤ（４００μｍ）の光検出効率Ｒが低めになると考えられる。
【００９９】
これに対して、ＳＳＰＤ（４５μｍ）では、図７（ｂ）に示すように、光ファイバ２３のファイバ端と受光素子Ｓとの間の距離が短いので（Ｌ１＋Ｌ２＝６５μｍ）、ガウシアンビームの全体が、受光素子Ｓに入射できる。このため、ＳＳＰＤ（４５μｍ）の光検出効率Ｒが高めになると考えられる。
【０１００】
このように、ＳＳＰＤ２００の光検出効率Ｒの改善には、ＭｇＯ基板１０の厚みＬ１の調整、および、クリアランスＬ２の調整が重要である。ＭｇＯ基板１０の厚みＬ１の調整は、ＭｇＯ基板１０Ａの研磨法（後述）により適切に行える。また、クリアランスＬ２の調整は、図４に示した実装方法により適切に行える。そして、これらの厚みＬ１およびクリアランスＬ２は、図５に示した光干渉測定システム３００により適切に管理できる。
【０１０１】
次に、以下の検討実験および理論計算が行われた。
【０１０２】
図８は、ＳＳＰＤの光カップリング効率（光検出効率）についてＭｇＯ基板の厚み（光路長）の依存性を示した図である。
【０１０３】
本検討実験では、ＭｇＯ基板１０Ａを徐々に研磨することにより、厚みＬ１が４００μｍ、２００μｍ、１００μｍ、４５μｍとなるＭｇＯ基板を用いた４個のＳＳＰＤが製造された。
【０１０４】
なお、クリアランスＬ２を２０μｍに固定していること、および、反射防止層１４を配していないこと、および、厚みＬ１およびクリアランスＬ２の確認に光干渉測定システム３００を用いていることは、図６において述べた検討実験と同じである。
【０１０５】
そして、上記各ＳＳＰＤの光カップリング効率Ｐｃ（光検出効率Ｒ）の測定が行われ、ＭｇＯ（４００μｍ）、ＭｇＯ（２００μｍ）、ＭｇＯ（１００μｍ）およびＭｇＯ（４５μｍ）としたプロット（図８の●印）が、図８中において各光カップリング効率Ｐｃ（光検出効率Ｒ：但し、実測データを規格化）として示されている。
【０１０６】
なお、図８の横軸には、光ファイバ２３のファイバ端から受光素子Ｓまでの光路長（伝搬距離）が取られているが、これは、ＭｇＯ基板（ＭｇＯの屈折率：１．８）の厚みＬ１との間で下記式（２）の如く対応している。
【０１０７】
光路長＝Ｌ２（２０μｍ）＋Ｌ１／１．８・・・・（２）
【０１０８】
また、光ファイバ２３のファイバ端から出射する光をガウシアンビーム形状に近似した場合、ガウシアンビーム近似からの光カップリング効率Ｐｃ（光検出効率Ｒ）の理論計算が、以下のように行われ、計算結果のプロファイルが図８に示されている（図８の点線参照）。
【０１０９】
光ファイバ２３のファイバ端でのモードフィールド径（ＭＦＤ）をω０とすると、光ファイバ伝送に最も適した通信波長１５５０ｎｍの通信路用シングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）の場合、ω０が１０．４μｍ程度となる。
【０１１０】
このとき、ガウシアンビームが光路長（伝搬距離）Ｘだけ伝搬した場合の、ガウシアンビームの半径は、下記式（３）で表される。  
【０１１１】
2010258208.tif 000003
・・・・（３）
【０１１２】
更に、光路長（伝搬距離）Ｘにおける垂直面内での半径ｒの円内におけるガウシアンビームのパワーは近似的に下記式（４）で表される。
【０１１３】
2010258208.tif 000004
・・・・（４）
【０１１４】
受光素子Ｓの受光面積が１５×１５μｍ角の場合、式（４）において、ｒ＝１０．７μｍの円内として、光路長（伝搬距離）Ｘに対する光カップリング効率Ｐｃの計算を行い、その計算結果が図８の点線に示されている。
【０１１５】
以上の検討により、プロット（図８の●印）の変化と、理論計算のプロファイル（図８の点線）と、がほぼ一致することが分かる。その結果、図８に示すように、光カップリング効率Ｐｃ（光検出効率Ｒ）が飽和するＭｇＯ基板の好適な基板厚み範囲「Ｌ１opt」が存在するという知見を得ることができた。例えば、ＭｇＯ基板の厚みＬ１が４５μｍの場合（厚み範囲「Ｌ１opt」の最大値付近の場合）でも、光カップリング効率Ｐｃ（光検出効率Ｒ）は９９％以上に達すると予測される。
【０１１６】
以上のとおり、本実施形態の光キャビティ構造の超伝導単一光子検出素子１００では、ＭｇＯ基板１０の厚みを光カップリング効率Ｐｃ（光検出効率Ｒ）が飽和する好適な基板厚み範囲「Ｌ１opt」内に設定することにより、光カップリング効率Ｐｃの向上に資することができる。その結果、ＳＳＰＤ２００の光検出効率Ｒが従来の積層構造素子よりも向上する。
【０１１７】
特に、超伝導単一光子検出素子１００のＭｇＯ基板１０の機械的な強度を考慮すると、ＭｇＯ基板１０の厚みを、この基板厚み範囲「Ｌ１opt」の最大値付近（ここでは、４５μｍ程度）に設定することが好ましい。
【０１１８】
なお、本明細書においては、本実施形態の超伝導単一光子検出素子１００の用途として、量子通信分野を挙げたが、これはあくまで一例に過ぎない。この超伝導単一光子検出素子１００は、量子通信分野への利用の他、テラヘルツ（ＴＨｚ）エレクトロニクス技術、Ｘ線観測技術、質量分析技術などの様々なエネルギー粒子検出分野に応用できる。
【実施例】
【０１１９】
以下、ＭｇＯ基板１０Ａの研磨法の一例および本実施形態の超伝導単一光子検出素子１００の実装例について述べる。
【０１２０】
（ＭｇＯ基板１０Ａの研磨法）
図９は、本実施形態の超伝導単一光子検出素子の受光素子が搭載されたＭｇＯ基板の研磨に用いる研磨システムを示した図である。
【０１２１】
図９に示すように、受講素子Ｓ（図９では図示せず）が搭載されたＭｇＯ基板１０Ａが、台座６１にセットされている。そして、この台座６１上のＭｇＯ基板１０Ａが、研磨シート６０によって機械的に研磨され、ＭｇＯ基板１０Ａの研磨量がマイクロメータ６２によってリアルタイムにモニターされている。
【０１２２】
なお、ここでの研磨システムの詳細は、以下のとおりである。
【０１２３】
研磨機：  ALLIED社製  MULTI PREPTM （商標）システム
研磨シート６０：ALLIED社製  DIAMOND LAPPING FILM (８インチＤＩＳＫ), 
研磨シート６０中のダイヤモンド粒径： ３μｍ または ５μｍ
ステージ回転速度：１２０ ｒｐｍ
研磨レート：３μｍ/分（５μｍの研磨シート６０の使用時）
：１μｍ/分（３μｍの研磨シート６０の使用時）
【０１２４】
以上のＭｇＯ基板１０Ａの研磨法によれば、ＭｇＯ基板１０Ａの厚みＬ１をリアルタイムにモニターしながらＭｇＯ基板１０Ａを研磨できるので、ＭｇＯ基板１０Ａを所望の厚さに容易に制御できる。
【０１２５】
（ＳＳＰＤ２００の実装例）
図１０では、光ファイバ２３が光ファイバ保持用ブロック２１に実装された写真が掲載されている。
【０１２６】
また、図１１では、受光素子Ｓが搭載されたＭｇＯ基板１０が、素子保持用ブロック２０に実装された写真が掲載されている。
【０１２７】
図１０に示したＳＳＰＤ２００では、パーケージング方式の実装技術を用いてコンパクトに構成されている。よって、このＳＳＰＤ２００は、量子暗号通信などの量子通信分野への利用を考慮した場合の多チャンネル化においてコスト対応力に優れる。
【０１２８】
また、図１１に示すように、素子保持用ブロック２０の表面には、ＭｇＯ基板１０の外寸と同寸法の凹部が形成され、この凹部内にＭｇＯ基板１０が嵌め込まれている。そして、ＭｇＯ基板１０の四隅と素子保持用ブロック２０の表面とを跨ぐように、エレクトロンワックス５０が配されている。このエレクトロンワックス５０により、ＭｇＯ基板１０が、素子保持用ブロック２０に適切に固定され、クリアランスＬ２が適量に維持される。また、ＭｇＯ基板１０と素子保持用ブロック２０との間の熱伝導性が適切に向上する。
【産業上の利用可能性】
【０１２９】
本発明によれば、光子との光カップリング性および光吸収性の両方に優れた超伝導単一光子検出素子が得られる。
【０１３０】
よって、本発明は、例えば、光ファイバ伝送に最も適した通信波長での光カップリング効率の向上により、量子暗号通信などの量子通信分野の検出素子にとして利用することができる。
【符号の説明】
【０１３１】
１０、１０Ａ  ＭｇＯ基板
１１  反射層
１２  キャビティ層
１３  ナノワイヤ
１３Ａ  窒化ニオブ層
１４  反射防止層
１５  伝送経路
２０  素子保持用ブロック
２１  光ファイバ保持用ブロック
２２  パーケージブロック
２３  光ファイバ
２３Ａ  光ファイバ心線
２３Ｂ  フェルール
２４  エポキシ樹脂
２５  クリアランス調整部材
２６  フラット基板
４０  光パワーメータ
４１  波長可変レーザ
４２  光サーキュレータ
５０  エレクトロンワックス
６０  研磨シート  
６１  台座
６２  マイクロメータ
１０１  積層体
１０２  フォトレジスト
１０３  フォトレジストの窓
１００  超伝導単一光子検出素子
２００  ＳＳＰＤ
３００  光干渉測定システム
Ｌ１  ＭｇＯ基板の厚み
Ｌ２  クリアランス
Ｌ１opt 基板厚み範囲
Ｓ  受光素子
Ｐ  光子
Ｒ  光検出効率
Ｐｃ  光カップリング効率
【図１】
2010258208.tif 000005
【図２】
2010258208.tif 000006
【図３】
2010258208.tif 000007
【図４】
2010258208.tif 000008
【図５】
2010258208.tif 000009
【図６】
2010258208.tif 000010
【図７】
2010258208.tif 000011
【図８】
2010258208.tif 000012
【図９】
2010258208.tif 000013
【図１０】
2010258208.tif 000014
【図１１】
2010258208.tif 000015