(57)【要約】【課題】光ファイバから入射するフォトンを低損失でシリコン細線光導波路に入力することを可能とする超伝導単一光子検出器モジュールを提供することにある。【解決手段】超伝導単一光子検出器モジュールは、半導体基板に形成されたアンダークラッド１０４の上に隣接して集積された超伝導単一光子検出器及び石英系コア光導波路２０４を備え、超伝導単一光子検出器は、シリコン細線光導波路１０６と、断面が大きい方の端でシリコン細線光導波路と接続されたテーパ形状のスポットサイズ変換器２０２と、シリコン細線光導波路の上に形成された超伝導体ナノワイヤ１０８と、から構成され、石英系コア光導波路は、入射端において光ファイバと端面接続され、スポットサイズ変換器と接し、該スポットサイズ変換器を介してシリコン細線光導波路に接続されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導単一光子検出器モジュールであって、
半導体基板に形成されたアンダークラッドの上に隣接して集積された超伝導単一光子検出器及び石英系コア光導波路を備え、
前記超伝導単一光子検出器は、
前記アンダークラッドの上に形成されたシリコン細線光導波路と、
前記アンダークラッドの上に形成されたテーパ形状のスポットサイズ変換器であり、断面が大きい方の端で前記シリコン細線光導波路と接続された、スポットサイズ変換器と、
前記シリコン細線光導波路の上に形成された超伝導体ナノワイヤと、
から構成され、
前記石英系コア光導波路は、
入射端において光ファイバと端面接続され、
前記スポットサイズ変換器と接し、前記スポットサイズ変換器を介して前記シリコン細線光導波路に接続されている、
ことを特徴とする超伝導単一光子検出器モジュール。
【請求項２】
前記石英系コア光導波路は、シリコンと、酸素および窒素の少なくとも１つとから構成された誘電体膜である、ことを特徴とする請求項１に記載の超伝導単一光子検出器モジュール。
【請求項３】
前記光ファイバは、モードフィールド径が１０μｍより小さいシングルモードファイバである、ことを特徴とする請求項１または２に記載の超伝導単一光子検出器モジュール。
【請求項４】
前記石英系コア光導波路は、偏波無依存波長フィルタを構成している、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の超伝導単一光子検出器モジュール。
【請求項５】
前記偏波無依存波長フィルタは、アレイ導波路回折格子である、ことを特徴とする請求項４に記載の超伝導単一光子検出器モジュール。
【請求項６】
前記偏波無依存波長フィルタは、曲げ導波路である、ことを特徴とする請求項４に記載の超伝導単一光子検出器モジュール。
【請求項７】
前記半導体基板は、金属材料に固定されている、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の超伝導単一光子検出器モジュール。
【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器モジュールに関し、より詳細には、光導波路回路上に超伝導単一光子検出器を集積した超伝導単一光子検出器モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
超伝導単一光子検出器(superconducting single-photon detector：ＳＳＰＤ)は、量子情報処理、量子暗号通信などに用いられる受光素子である。この素子の特長は、極めて低い暗計数率(低ノイズ)になる点に加えて、励起電子緩和時間が短いため、従来のInGaAsアバランシェフォトダイオードを上回る高速動作(GHzオーダー)が原理的に可能となる点である。最も有望な構造は、細線光導波路結合型ＳＳＰＤである。細線光導波路結合型ＳＳＰＤは、強い光閉じ込めを有する光導波路上に超伝導膜ナノワイヤを装荷することで極めて小型素子が実現可能となる。これにより、インダクタンスの小さな素子構造となり、高速動作が可能となる。また、細線光導波路型ＳＳＰＤは、光導波路回路との一体集積が可能となる点も特長となる。
【０００３】
図１は、細線光導波路結合型ＳＳＰＤの概略構成図である。図１に示す細線光導波路結合型ＳＳＰＤ１００は、半導体基板１０２の上に形成されたアンダークラッド１０４と、該アンダークラッド１０４の上にそれぞれ形成された、細線光導波路１０６、細線光導波路１０６の上に装荷された超伝導膜ナノワイヤ１０８、および超伝導膜ナノワイヤ１０８と接続された電極１１０とを備えた、極めて小型素子である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Oliver Kahl, Simone Ferrari, Vadim Kovalyuk, Gregory N. Goltsman, Alexander Korneev & Wolfram H. P. Pernice, “Waveguide integrated superconducting single-photon detectors with high internal quantum efficiency at telecom wavelengths”, Scientific Reports, DOI: 10.1038/srep10941
【非特許文献２】Hiroshi Fukuda, Koji Yamada, Tai Tsuchizawa, Toshifumi Watanabe, Hiroyuki Shino and Sei-ichi Itabashi, “Silicon photonic circuit with polarization diversity”, Optics express, Vol. 16, Issue 7, pp. 4872-4880-(2008).
【非特許文献３】笠原亮一、井上靖之、石井元速、高橋浩、”高矩形度な透過スペクトルを有するAWGペア型光バンドパスフィルタ”、2008年電子情報通信学会総合大会、C-3-23
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、細線光導波路型ＳＳＰＤの実現には検出効率の向上とノイズ低減が課題である。
【０００６】
ＳＳＰＤの検出効率は、主に光ファイバと細線光導波路との間における光の結合損失により制限される。従来、光ファイバと細線光導波路との間の接続にグレーティングカプラを用いる例がある（例えば、非特許文献１参照）。しかし、光ファイバと細線光導波路との間の接続にグレーティングカプラを用いた場合、結合効率の波長依存が大きく、損失も大きい。
【０００７】
また、ＳＳＰＤにおける暗計数の主要因は、冷凍器外の室温環境下からＳＳＰＤに入射される黒体輻射のエネルギーである。このノイズ成分を除去するためのバンドパスフィルタとＳＳＰＤを組み合わせる方法がある。しかしながら、個別の部品を組み合わせた場合は、装置が大型化してしまう。
【０００８】
そこで、細線光導波路型ＳＳＰＤの特徴である光導波路回路との一体集積が可能となる特長を活かしてフィルタとＳＳＰＤをチップ上にモノリシック集積することで装置の小型化、低コスト化が可能となる。
【０００９】
他方、フィルタとＳＳＰＤをチップ上にモノリシック集積することについては、次の課題がある。
【００１０】
細線光導波路の実効屈折率は、加工誤差に極めて敏感である。そのため、光の伝搬方向の断面が正方形のコアである細線光導波路を設計したとしても、加工時のわずかな形状誤差で実効屈折率には大きな偏波依存が生じてしまう。
【００１１】
チップ上で黒体輻射をカットするための偏波無依存バンドパスフィルタは、細線光導波路などを用いることでモノリシック集積が実現できるが、偏波依存対策のために偏波ダイバーシティ回路が必要となる（例えば、非特許文献２参照）。したがって、偏波スプリッタや偏波ローテータなどの素子による過剰損失が不可避となり、結果的に検出効率を損なうことになる。
【００１２】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、光ファイバから入射するフォトンを低損失でシリコン（Si）細線光導波路に入力することを可能とする超伝導単一光子検出器モジュールを提供することにある。さらに、偏波無依存フィルタのモノリシック集積が容易な超伝導単一光子検出器モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
このような目的を達成するために、本発明の一態様は、超伝導単一光子検出器モジュールである。超伝導単一光子検出器モジュールは、半導体基板に形成されたアンダークラッドの上に隣接して集積された超伝導単一光子検出器及び石英系コア光導波路を備える。超伝導単一光子検出器は、アンダークラッドの上に形成されたシリコン細線光導波路と、上記アンダークラッドの上に形成されたテーパ形状のスポットサイズ変換器であり、断面が大きい方の端でシリコン細線光導波路と接続された、スポットサイズ変換器と、シリコン細線光導波路の上に形成された超伝導体ナノワイヤと、から構成される。石英系コア光導波路は、入射端において光ファイバと端面接続され、上記スポットサイズ変換器と接し、該スポットサイズ変換器を介して上記シリコン細線光導波路に接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明によれば、光ファイバからの入射フォトンを低損失でシリコン細線光導波路に入力することを可能とする超伝導単一光子検出器モジュールを提供することが可能となる。さらに、偏波無依存フィルタのモノリシック集積が容易な超伝導単一光子検出器モジュールを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】細線光導波路結合型ＳＳＰＤの概略構成図である。
【図２】（ａ）は本発明の一実施形態にかかる細線光導波路結合型ＳＳＰＤの概略構成図であり、（ｂ）は高熱伝導率材料に実装され光ファイバと端面結合された細線光導波路結合型ＳＳＰＤを有する超伝導単一光子検出器モジュールを示す図である。
【図３】本発明の実施例におけるファイバ結合効率の実験値を示す図である。
【図４】本発明の実施例における超伝導単一光子検出器モジュールを用いて測定したＳＳＰＤのチップにおける量子効率とバイアス電流の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。図面中の同一または類似の符号は、同一または類似の要素を示し、繰り返しの説明は省略する。
【００１７】
本実施形態の超伝導単一光子検出器モジュールは、高熱伝導率材料に実装され光ファイバと端面結合された細線光導波路結合型ＳＳＰＤを有する。
【００１８】
図２（ａ）は、細線光導波路結合型ＳＳＰＤの概略構成を示す図である。細線光導波路結合型ＳＳＰＤ２００は、半導体基板１０２の上に形成されたアンダークラッド１０４と、該アンダークラッド１０４の上にそれぞれ形成された、シリコン（Si）細線光導波路１０６、Si細線光導波路１０６の上に装荷された超伝導体ナノワイヤ１０８、超伝導膜ナノワイヤ１０８と接続された電極１１０、入力光が伝搬する光ファイバ（不図示）と端面接続される石英系コア光導波路２０４、及び石英系コア光導波路２０４へ入射した入力光のモードフィールド径を変換してシリコン細線光導波路１０６に結合するシリコンスポットサイズ変換器２０２とを備える。
【００１９】
石英系コア光導波路２０４はＳｉより低い屈折率のコアを有する導波路である。石英系コア光導波路は、光ファイバと端面接続され、光ファイバとシリコン細線光導波路１０６との間の光結合における低損失、広帯域が可能となる。
【００２０】
シリコンスポットサイズ変換器２０２は、幅（ｘ方向）が、光の伝搬方向（ｙ方向）に先端からシリコン細線光導波路１０６へ向かって拡大し、シリコン細線光導波路１０６との接続位置でシリコン細線光導波路１０６の幅と等しくなるテーパ形状（光の伝搬方向（ｙ方向）に対する逆テーパ形状）を有する。
【００２１】
石英系コア光導波路２０４は、シリコンスポットサイズ変換器２０２を埋め込むように形成され、光ファイバから入射し石英系コア光導波路２０４を伝搬した入力光は、シリコンスポットサイズ変換器２０２に結合する。シリコンスポットサイズ変換器２０２に入射した入力光は、モードフィールド径が変換され、シリコン細線光導波路１０６に結合される。このようにして、入射フォトンは、光ファイバからシリコン細線光導波路１０６へと低損失に結合される。
【００２２】
また、石英系コア光導波路２０４のモードフィールド径は、光ファイバのモードフィールド径（コア径）と同じであるため、石英系コア光導波路２０４の加工誤差に起因する実効屈折率の偏波依存性は極めて小さい。そのため、石英系コア光導波路２０４として、断面が正方形の、偏波依存が小さいコアを容易に作成することができるため、偏波ダイバーシティ回路を用いることなく、偏波無依存のバンドパスフィルタを作成することが可能となる。
【００２３】
石英系コア光導波路２０４としての低屈折率導波路は、例えば、一般的なＣＭＯＳバックエンドプロセスで用いられている、低温のプラズマＣＶＤプロセスにより、シリコン（Si）、酸素、窒素の原子組成比、シリコン（Si）、酸素の原子組成比、またはシリコン（Si）、窒素の原子組成比を調整できる、すなわち屈折率を調整できる誘電体膜とすることができる。低温のプラズマＣＶＤプロセスで誘電体膜を形成することで、極めて薄い（厚さが数なのメートル程度の）超伝導膜（超伝導ナノワイヤ）に対する熱ダメージや酸化を防止することができる。ＳＳＰＤの量子効率は、超伝導ナノワイヤの酸化や欠損に影響されるため、上述した材料を用いて低温プロセスで石英系コア光導波路２０４としての誘電体膜を形成することが好ましい。
【００２４】
半導体基板１０２のシリコン細線光導波路１０６の上には超伝導体１０８が形成されているため、冷却ステージとチップとの間に高い熱伝導性が求められる。そのため、チップは無酸素銅など高熱伝導率材料のパッケージ上に実装されなければならない。また、光ファイバは、チップと端面結合されるため、チップ近傍で極めて低い温度となる。そのため、極低温においても入力光が低損失で導波可能な高NA光ファイバが望ましい。具体的にはモードフィールド径が１０μｍより小さいシングルモードファイバである。この場合、低屈折率導波路２０４は高NA光ファイバのモードフィールド径とマッチングするように設計される。
【００２５】
（実施例）  
以下で実施例を示す。チップは、SOI（Silicon on Insulator）基板を用いて作製される。チップ上には、Si細線光導波路１０６、テーパ―型スポットサイズ変換器（SSC）２０２、石英系コア光導波路（SiOx導波路）（３μｍ角（コア幅３μｍ、コア厚３μｍ））２０４が集積されており、Si細線光導波路１０６とSiOx導波路２０４は、SSC２０２によって接続されている。SOI基板上に、Si細線光導波路１０６、テーパ―型スポットサイズ変換器（SSC）２０２を形成した後に、Si細線光導波路１０６の上に超伝導を成膜し、超伝導ナノワイヤ１０８にパターン形成し、その後、石英系コア光導波路（SiOx導波路）２０４を選択成長させることでチップを作製することができる。
【００２６】
Si細線光導波路１０６は、コア幅４００ｎｍ（ｘ方向）、コア厚２２０ｎｍ（ｚ方向）であり、SSC２０２のテーパ先端のコア幅（ｘ方向）は８０ｎｍである。SiOx導波路（SiOx膜）２０４はSiリッチの石英系膜であり、２００℃程度の温度で形成される。超伝導ナノワイヤ１０８は厚さ７ｎｍ（ｚ方向）、細線幅６０ｎｍ、長さ５０μｍのNbN(窒化ニオブ)膜であり、Si細線光導波路１０６の上で１回折り返すパターンとなっている。電極１１０はNbN/Ti/Cr/Auで構成されている。また、上記全ての素子は石英のオーバークラッド膜（不図示）で覆われている。
【００２７】
３μｍ角のSiOx導波路２０４の屈折率は、モードフィールド径４．３μｍの高NA光ファイバとモードマッチングするように設計されている。高NA光ファイバは、樹脂によりSiOx導波路２０４の端面（チップ端面）で接続される。
【００２８】
図２（ｂ）は、高熱伝導率材料に実装され細線光導波路結合型ＳＳＰＤを有する超伝導単一光子検出器モジュールを示す図である。細線光導波路結合型ＳＳＰＤを集積したチップ２００は、高い熱伝導率を有する無酸素銅を材料とするパッケージ３０２に実装（固定）され、同パッケージの電気信号端子（SMAコネクタ）３０４とチップ２００上の電極１１０が電気的に接続される。光ファイバは、Ｖ溝を形成した光ファイバ支持材３０８（ガラス材）により指示され、細線光導波路結合型ＳＳＰＤ２００の端面（SiOx導波路２０４の端面）に結合されている。パッケージ３０２は、熱伝導率が高ければ無酸素銅に限らずどのような金属材料を用いても良い。細線光導波路結合型ＳＳＰＤ２００は、金属材料により封止されていても、封止されていなくてもよい。
【００２９】
このSiOx導波路２０４は、Si細線光導波路１０６に比べてコア径が約１０倍程度であり、加工誤差に起因する実効屈折率変化は極めて小さい。
【００３０】
表1に、Si細線光導波路１０６、３μｍ角コアのSiOx導波路２４０の１ｎｍ当りのコア幅ばらつきに起因する実効屈折率変化の計算結果を示す。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
SiOx導波路２４０のコアにおける１ｎｍのコア幅加工誤差に対する実効屈折率の変化は、Si細線光導波路１０６のものに比べて２桁近く小さい。そのため、Si細線光導波路１０６のコアではわずかな形状誤差でも顕著な偏波依存になるが、SiOx導波路２０４のコアにおけるコアの加工誤差による偏波依存は無視できるほどに小さくなる。これにより、偏波ダイバーシティ回路などを用いることなく、SiOx導波路２０４で偏波無依存バンドパスフィルタなどを形成することが出来る。偏波無依存バンドパスフィルタは、例えばAWGペア（例えば、非特許文献３参照）などを用いれば形成できることが知られているが、これに限るものではない。例えば、SiOx導波路２０４に、曲げ導波路の構造を入れることにより、長波長域のノイズ光は伝搬しなくなるため、暗計数率を下げることが出来る。閉じ込めが弱くなるように導波路サイズを調整されたSiOxであれば、曲率半径によりフィルタの機能を実現できる。このような曲げ導波路はプロセス工程を追加せずに簡便に実現することが出来る。
【００３３】
本構成におけるファイバ結合効率の実験値を図３に示す。クライオスタット内にパッケージ３０２を設置して格子検出実験を行う前と後の室温における、高NA光ファイバ３０６と細線光導波路結合型ＳＳＰＤ２００の端面結合効率の実験値は、１．９ｄＢ／ｆａｃｅｔであった。この値は、光ファイバ３０６とSiOx導波路２０４と間の実装用樹脂、SSC２０２の損失なども含む。この値は、クライオスタット内の極低温環境下においてもほぼ変化しないことが確認されている。
【００３４】
図４に作製したＳＳＰＤモジュール３００における量子効率とバイアス電流の関係を示す図。細線光導波路結合型ＳＳＰＤを集積したチップ２００における量子効率は、ＳＳＰＤモジュール３００全体の検出効率から光ファイバとの結合損失やSi導波路２０４の損失などを差し引いたチップ２００上のＳＳＰＤの正味の量子効率である。実験結果より、バイアス電流が７．６μＡ以上で、ＳＳＰＤの量子効率は実験値で９０％以上であり、SiOx導波路２０４と超伝導体（超伝導ナノワイヤ）１０８が一体集積される構造では超伝導膜の酸化や欠陥が極めて少なく、超伝導素子の特性劣はほとんどないことが確認できる。また、無酸素銅を用いたパッケージ上で超伝導性が発現しており、冷却ステージとチップの間に良好な熱伝導性が確保されていることが分かる。
【符号の説明】
【００３５】
１００，２００  細線光導波路結合型ＳＳＰＤ
１０２  半導体基板
１０４  アンダークラッド
１０６  細線光導波路
１０８  超伝導膜ナノワイヤ
１１０  電極
２０２  スポット細部変換器
２０４  低屈折率導波路
３００  超伝導単一光子検出器モジュール
３０２  パッケージ
３０４  コネクタ
３０６  光ファイバ
３０８  光ファイバ支持材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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