(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に設けられている誘電体多層膜と、
前記誘電体多層膜上に設けられ、超伝導状態で使用されているナノワイヤと、
を備え、
前記誘電体多層膜で特定されている波長帯域の光が前記ナノワイヤに入射した際の前記ナノワイヤの抵抗変化に基づいて、光子が１個ずつ検出されている超伝導単一光子検出器の光学設計方法であって、
前記誘電体多層膜上に、前記ナノワイヤと同一材料かつ同一膜厚の層がベタ状に設けられていると仮定した場合において、多層膜計算ソフトを用いて、前記ベタ状の層における光吸収スペクトルが所望のスペクトルとなるよう、誘電体多層膜の材質、膜厚及びレイヤー数を導出し、
前記多層膜計算ソフトで導かれた材質、膜厚及びレイヤー数の誘電体多層膜上に、前記ナノワイヤを設ける場合の超伝導単一光子検出器のモデルに対して、ナノワイヤの上方から所定の波長の光が入射する場合のデータを付与して数値シミュレーションを行うことで、前記ナノワイヤにおける光吸収スペクトルを導出する光学設計手法。
【請求項２】
光入射で生じる前記ナノワイヤにおける電場強度を前記数値シミュレーションで導き、前記電場強度及び前記ナノワイヤの占有率から得られる光吸収率に基づいて前記ナノワイヤにおける光吸収スペクトルを導出する請求項１に記載の光学設計方法。
【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器及び超伝導単一光子検出器の光学設計方法に関する。
【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器（Superconducting Single Photon Detector：以下、必要に応じて、ＳＳＰＤと略す）は、量子通信、量子光学、ライフサイエンス等の幅広い分野において注目を集めているキーデバイスである。例えば、量子暗号鍵配送試験、量子もつれ実験等でＳＳＰＤを用いることにより、半導体アバランシェ・フォトダイオード等の従来の光子検出器では成し得ない極めて高精度な結果が得られるようになってきている。
【０００３】
ところで、かかるＳＳＰＤの光検出効率の向上を目的とした様々な技術がすでに提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１及び特許文献２には、超伝導状態で使用されるナノワイヤと基板との間に、光キャビティ層を備えるＳＳＰＤが提案されている。特許文献１は、フロンドサイド光入射構造（基板の表面側から光照射が行われる構造）のＳＳＰＤが記載されている。また、特許文献２は、バックサイド光入射構造（基板の裏面側から光照射が行われる構造）が記載されている。そして、これらは、光キャビティ層を備えない単層構造のＳＳＰＤに比べ、ナノワイヤへの光カップリング効率、ナノワイヤの光吸収率が高くなり、これにより、ＳＳＰＤの光検出効率を向上できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−３８１９０号公報
【特許文献２】特開２０１０−２５８２０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来例は、任意の波長スペクトル特性を持たせることを意図したＳＳＰＤについては検討されていない。
【０００７】
本発明の一態様(aspect)は、このような事情に鑑みてなされたものであり、従来に比べ、様々な波長スペクトル特性を持たせ得るＳＳＰＤを提供する。
【０００８】
また、本発明の他の態様は、上記ＳＳＰＤの光学設計を適切に行い得るＳＳＰＤの光学設計方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様のＳＳＰＤは、基板と、前記基板上に設けられている誘電体多層膜と、前記誘電体多層膜上に設けられ、超伝導状態で使用されているナノワイヤと、を備え、前記誘電体多層膜で特定されている波長帯域の光が前記ナノワイヤに入射した際の前記ナノワイヤの抵抗変化に基づいて、光子が１個ずつ検出されている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の一態様によれば、従来に比べ、様々な波長スペクトル特性を持たせ得るＳＳＰＤが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】図１Ａは、実施形態の超伝導単一光子検出器の一例を示す図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、実施形態の超伝導単一光子検出器の一例を示す図である。
【図２】図２は、数値シミュレーション用の超伝導単一光子検出器のモデルに相当する二次元のセルユニットの一例を示す図である。
【図３Ａ】図３Ａは、数値シミュレーションにより得られたベタ膜における光吸収スペクトルの一例を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、数値シミュレーションにより得られたナノワイヤにおける光吸収スペクトルの一例を示す図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、数値シミュレーションにより得られたナノワイヤにおける光吸収スペクトルの一例を示す図である。
【図４】図４は、数値シミュレーションにより得られたベタ膜及びナノワイヤにおける光吸収スペクトルの一例を示す図である。
【図５】図５は、数値シミュレーションにより得られたベタ膜及びナノワイヤにおける光吸収スペクトルの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
従来例は、光キャビティ層の材質及び膜厚を最適化することで、ある特定の波長の光に対してＳＳＰＤの光検出効率を向上させることは可能である。しかし、従来例の光キャビティ構造では、ＳＳＰＤに任意の波長スペクトル特性を付与することができない。具体的には、従来例では、ナノワイヤの光吸収の波長帯域を広げること、或いは、逆に、波長帯域を非常に狭くすること等、様々な要求に合わせたＳＳＰＤの光学設計が困難である。従って、従来例では、例えば、波長帯域が広い範囲において光吸収率が高いＳＳＰＤ、カットオフ波長を設けることでフィルタ効果を備えるＳＳＰＤ等の実用化に不都合があり、ＳＳＰＤの応用面に様々な制約がある。
【００１３】
そこで、発明者らは、様々な波長スペクトル特性を持たせ得るＳＳＰＤの構成について鋭意検討し、上記の光キャビティ層に代えて、基板に誘電体多層膜を設けるという着想に到達した。そして、このとき、基板での光吸収（例えば、シリコン基板での可視光吸収）を考慮すると、バックサイド光入射構造のＳＳＰＤよりも、フロンドサイド光入射構造のＳＳＰＤの方が有利であると判断した。
【００１４】
すなわち、本実施形態のＳＳＰＤは、基板と、基板上に設けられている誘電体多層膜と、誘電体多層膜上に設けられ、超伝導状態で使用されているナノワイヤと、を備え、誘電体多層膜で特定されている波長帯域の光がナノワイヤに入射した際のナノワイヤの抵抗変化に基づいて、光子が１個ずつ検出されている。
【００１５】
かかる構成によると、従来に比べ、様々な波長スペクトル特性を持たせ得るＳＳＰＤが得られる。つまり、本実施形態のＳＳＰＤは、誘電体多層膜を備えるので、誘電体多層膜の膜構造（例えば、材質、膜厚、レイヤー数等）を変えることで、様々な波長帯域の光がナノワイヤに吸収するように構成できる。
【００１６】
また、本実施形態のＳＳＰＤの光学設計方法は、誘電体多層膜上に、ナノワイヤと同一材料かつ同一膜厚の層がベタ状に設けられている仮定した場合において、多層膜計算ソフトを用いて、ベタ状の層における光吸収スペクトルが所望のスペクトルとなるよう、誘電体多層膜の材質、膜厚及びレイヤー数を導出し、多層膜計算ソフトで導かれた材質、膜厚及びレイヤー数の誘電体多層膜上に、ナノワイヤを設ける場合のＳＳＰＤのモデルに対して、ナノワイヤの上方から所定の波長の光が入射する場合のデータを付与して数値シミュレーションを行うことで、ナノワイヤにおける光吸収スペクトルを導出する。
【００１７】
また、光入射で生じるナノワイヤにおける電場強度を数値シミュレーションで導き、電場強度及びナノワイヤの占有率から得られる光吸収率に基づいてナノワイヤにおける光吸収スペクトルを導出する。
【００１８】
以上により、多層膜計算ソフトを用いて、ベタ状の層における光吸収スペクトルが所望のスペクトルとなるよう、誘電体多層膜の材質、膜厚及びレイヤー数を簡易に導出し得る。
【００１９】
また、数値シミュレーションにより、多層膜計算ソフトでは扱えなかった、ナノワイヤを備えるＳＳＰＤの光学スペクトルの最適設計が可能となる。そして、このとき、ナノワイヤにおける電場強度及びナノワイヤの占有率を考慮することで、光吸収スペクトルを適切に導出できる。
【００２０】
以下、本実施形態の具体例について図面を参照しながら説明する。なお、以下では、全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、重複する説明を省略する。
【００２１】
［装置構成］
図１Ａ及び図１Ｂは、実施形態の超伝導単一光子検出器の一例を示す図である。図１Ａは、超伝導単一光子検出器１００（以下、必要に応じて、ＳＳＰＤ１００と略す）を平面視した図である。図１Ｂは、図１ＡのＢ−Ｂ断面図である。
【００２２】
図１Ａ及び図１Ｂに示すように、ＳＳＰＤ１００は、基板１０と、誘電体多層膜（ＤＭＬ）１１と、メアンダ状の窒化ニオブ（ＮｂＮ）からなる配線１２（以下、必要に応じてナノワイヤ１２と略す）と、を備える。なお、基板１０の材料として、例えば、シリコン（Ｓｉ）を用いることができる。そして、ＳＳＰＤ１００は、上記の理由により、フロンドサイド光入射構造を取っている。
【００２３】
誘電体多層膜１１は、基板１０上に設けられている。本実施形態では、誘電体多層膜１１は、屈折率の高いＴｉＯ２膜と屈折率の低いＳｉＯ２膜とを基板１０上に交互に積み重ねることで形成されている。これにより、誘電体多層膜１１の膜構造（例えば、これらのＴｉＯ２膜及びＳｉＯ２膜の膜厚、レイヤー数等）を変えることで、様々な波長帯域の光がナノワイヤ１２に吸収するように構成できる。
【００２４】
ナノワイヤ１２は、誘電体多層膜１１上に設けられ、超伝導状態で使用されている。そして、ナノワイヤ１２の領域が、ＳＳＰＤ１００の光検出部を構成する。例えば、ナノワイヤ１２は、適宜の厚み（例えば、１０ｎｍ程度）の窒化ニオブ層を、電子線などを用いてパターニングすることにより、所定の線幅（例えば、８０ｎｍ−２００ｎｍ程度の線幅）のメアンダ状に形成することで製作できる。このとき、ＳＳＰＤ１００の光検出部のサイズを、例えば、１０μｍ−２０μｍ角程度に設定してもよい。
【００２５】
ここで、ナノワイヤ１２は、超伝導状態で使用できるように適宜の冷却手段（図示せず）により冷却されている。ナノワイヤ１２の両端は、ナノワイヤ１２に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１３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。伝送経路１３は、ナノワイヤ１２にバイアス電流を流す経路としても機能している。この伝送経路１３は、窒化ニオブ層との接触面でＳＳＰＤ１００が破壊されにくくする目的で、窒化ニオブ層と同じ材料（窒化ニオブ）により構成されることが多い。
【００２６】
また、ＳＳＰＤ１００では、単一の光子が、ナノワイヤ１２の上方からナノワイヤ１２に入射した際のナノワイヤ１２の抵抗変化に基づいて、光子が１個ずつ検出できる。具体的には、ナノワイヤ１２に光子が入射すると、光子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（抵抗領域）が発生する。このとき、ナノワイヤ１２を流れる電流は、抵抗領域を迂回するように領域の両側のナノワイヤ１２の部分に集中的に流れる。すると、領域の周囲を流れる電流は臨界電流を超え、領域の両側の部分も常伝導状態になり、常伝導状態の領域は、ナノワイヤ１２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、常伝導領域の発生および常伝導領域の超伝導状態への回復過程におけるナノワイヤ１２の幅方向全域に亘る抵抗変化に基づいて、ナノワイヤ１２に入った光子は、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１３から外部に取り出される。
【００２７】
なお、このような光子を１個ずつ検出するＳＳＰＤの検出法自体は、公知である（例えば「IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL.11, NO.1, MARCH 2001 P574-577」参照）。
【００２８】
以上により、本実施形態では、従来に比べ、様々な波長スペクトル特性を持たせ得るＳＳＰＤ１００が得られる。つまり、本実施形態のＳＳＰＤ１００は、誘電体多層膜１１を備えるので、誘電体多層膜１１の膜構造（例えば、材質、膜厚、レイヤー数等）を変えることで、様々な波長帯域の光がナノワイヤ１２に吸収するように構成できる。よって、かかるＳＳＰＤ１００を用いることで、波長帯域が広い範囲において光吸収率が高いＳＳＰＤ、カットオフ波長を設けることでフィルタ効果を備えるＳＳＰＤ等の実用化が可能となる。
【００２９】
なお、上記のＳＳＰＤ１００は例示であって、本例に限定されない。例えば、ナノワイヤ１２に用いる超伝導材料は、ＮｂＮ以外に、ＮｂＴｉＮ、Ｎｂ、ＴａＮ、ＭｇＢ２等を用いても構わない。また、基板１０の材料は、Ｓｉ以外に、ＭｇＯ、石英（クオーツ）、サファイア等を用いても構わない。また、誘電体多層膜１１の高屈折率膜として、ＴｉＯ２膜以外に、Ｎｂ２Ｏ５膜やＴａ２Ｏ５膜等を用い、低屈折率膜として、ＳｉＯ２膜以外に、Ａｌ２Ｏ３膜等を用いても構わない。
【００３０】
［ＳＳＰＤの光学設計方法］
以下、本実施形態のＳＳＰＤ１００の光学設計方法について図面を参照しながら説明する。
【００３１】
まず、誘電体多層膜１１上に、ナノワイヤ１２と同一材料かつ同一膜厚の窒化ニオブ層がベタ状に設けられていると仮定した場合において、適宜の多層膜計算ソフトを用いて、このベタ状の窒化ニオブ層における光吸収スペクトルが所望のスペクトルとなるよう、誘電体多層膜１１の材質、膜厚及びレイヤー数を導出する。ここでは、上記のとおり、誘電体多層膜１１の高屈折率膜として、ＴｉＯ２膜を用い、低屈折率膜として、ＳｉＯ２膜を用いてもいるので、窒化ニオブ層における光吸収スペクトルが所望のスペクトルとなるよう、これらのＴｉＯ２膜及びＳｉＯ２膜の膜厚及びレイヤー数を導出する。本実施形態では、光の波長が６５０ｎｍ−９００ｎｍ付近（つまり、光の波長が８００ｎｍ付近中心）で、窒化ニオブ層における光吸収率がフラットな最大値を取るように、多層膜計算ソフトにより誘電体多層膜１１（ＴｉＯ２膜及びＳｉＯ２膜）の膜厚及びレイヤー数が設定されている。
【００３２】
なお、誘電体多層膜１１の透過率及び反射率の計算は、様々な手法がすでに公知であり、多くの市販の多層膜計算ソフトも提供されている。よって、詳細な説明は省略する。
【００３３】
次に、上記の多層膜計算ソフトで導かれた材質、膜厚及びレイヤー数の誘電体多層膜１１上に、ナノワイヤ１２を設ける場合のＳＳＰＤ１００のモデルをコンピュータ上に作成する。具体的には、上記モデルに対応する領域を細かい要素にメッシュ分割することで、コンピュータ上にモデルを再現する。
【００３４】
図２は、数値シミュレーション用のＳＳＰＤ１００のモデルに相当する二次元のセルユニットの一例を示す図である。本実施形態では、ナノワイヤ１２の厚みＴは、１０ｎｍに設定され、ナノワイヤ１２の幅Ｗ及び隙間Ｓはそれぞれ、１００ｎｍに設定されている。よって、セルユニット周期Ｐは、２００ｎｍである。また、二次元のセルユニットＣＵの境界条件として、セルユニットＣＵの左右両側のメッシュに周期境界条件が設定され、計算が行われる。これにより、数値シミュレーション用のＳＳＰＤ１００のモデルのメッシュ数を減らすことが可能となり、コンピュータの記憶容量の節約、計算時間の短縮を図れる。
【００３５】
そして、上記のモデルに対してナノワイヤ１２の上方から所定の波長の光が入射する場合のデータを付与して数値シミュレーションを行うことで、ナノワイヤ１２における光吸収スペクトルを導出する。具体的には、モデルの各要素に物性条件及び上記データ等を付与して、有限要素法ソフト（例えば、COSMOL Multiphysics 4.4, RF module）を用いて、電磁場の振る舞いを記述する基礎方程式であるマクスウェル方程式を解き、ナノワイヤ１２における光吸収率を数値シミュレーションする。
【００３６】
このとき、光入射で生じるナノワイヤ１２における電場強度が数値シミュレーションで導かれ、この電場強度及びナノワイヤ１２の占有率（フィリングファクターＦＦ）等のパラメータから得られる光吸収率に基づいて、ナノワイヤ１２における光吸収スペクトルを導出する。具体的には、この光吸収率Ａは、以下の式（１）により定式化でき、近似的にはナノワイヤ１２における平均電場強度Ｅａｖｇ及びフィリングファクターＦＦの積に比例する。
【００３７】
【数１】
0006440304.tif 000002
なお、式（１）のフィリングファクターＦＦは、ナノワイヤ１２の幅Ｗ及びセルユニット周期Ｐの値から１／２（ＦＦ＝Ｗ／Ｐ＝１／２）となる。
【００３８】
よって、式（１）を用いて、ナノワイヤ１２における光吸収率Ａを計算することで、ある波長の光についてナノワイヤ１２における光吸収率を計算でき、光の波長を僅かに変えながら、かかる計算を繰り返し行うと、ナノワイヤ１２における光吸収スペクトルを導出できる。
【００３９】
図３Ａは、数値シミュレーションにより得られたベタ膜における光吸収スペクトルの一例を示す図である。図３Ｂ及び図３Ｃは、数値シミュレーションにより得られたナノワイヤにおける光吸収スペクトルの一例を示す図である。具体的には、図３Ａには、ベタ状の窒化ニオブ層における光吸収スペクトルの一例が示されている。図３Ａの光吸収スペクトルを計算する理由は、多層膜計算ソフトで計算された光吸収スペクトルを、数値シミュレーションでも再現できるか確認するためである。
【００４０】
一方、図３Ｂには、ナノワイヤ１２におけるＴＥ偏光の吸収スペクトルの一例が示されている。図３Ｃには、ナノワイヤ１２におけるＴＭ偏光の吸収スペクトルの一例が示されている。なお、ＴＥ偏光とは、電場がナノワイヤ１２の延在方向と平行に振動する光のことをいい、ＴＭ偏光とは、電場がナノワイヤ１２の延在方向と垂直に振動する光のことをいう。
【００４１】
図３Ａ、図３Ｂ及び図３Ｃによれば、窒化ニオブ層における光吸収スペクトルは、ナノワイヤ１２におけるＴＥ偏光の吸収スペクトルにも、ＴＭ偏光の吸収スペクトルにも一致しないことが分かる。そして、このような事実が、ナノワイヤ１２の部分に相当するグリッド構造を備えるＳＳＰＤ１００の光学設計を、従来の多層膜計算ソフトでは扱えないことを示している。
【００４２】
つまり、ＳＳＰＤ１００における光吸収体であるナノワイヤ１２は、ベタ膜ではなく、図２に示す如く、グリッド構造（凹凸構造）として捉える必要があり、多層膜計算ソフトでは正しい光学設計を行うことができない。
【００４３】
これに対して、本実施形態のＳＳＰＤ１００の光学設計では、ナノワイヤ１２の部分に相当するグリッド構造に関して、有限要素法等の数値シミュレーションを組合せることで、ＳＳＰＤ１００の光学スペクトルの最適設計が可能となる。
【００４４】
以上のとおり、本実施形態のＳＳＰＤ１００の光学設計方法では、多層膜計算ソフトを用いて、窒化ニオブ層における光吸収スペクトルが所望のスペクトルとなるよう、誘電体多層膜１１の材質、膜厚及びレイヤー数を簡易に導出し得る。
【００４５】
また、数値シミュレーションにより、多層膜計算ソフトでは扱えなかった、ナノワイヤ１２を備えるＳＳＰＤ１００の光学スペクトルの最適設計が可能となる。そして、このとき、ナノワイヤ１２における電場強度及びフィリングファクターＦＦを考慮することで、ナノワイヤ１２における光吸収スペクトルを適切に導出できる。
【００４６】
なお、上記のＳＳＰＤ１００の光学設計方法は例示であって、本例に限定されない。例えば、上記の有限要素法による数値シミュレーション以外のＳＳＰＤ１００の光学設計方法として、厳密結合波解析（Rigorous coupled-wave analysis：RCWA）等を用いても構わない。
【００４７】
また、上記のＳＳＰＤ１００の光学設計では、光の波長が６５０ｎｍ−９００ｎｍ付近で、窒化ニオブ層における光吸収率がフラットな最大値を取るように、誘電体多層膜１１（ＴｉＯ２膜及びＳｉＯ２膜）の膜厚及びレイヤー数を設定しているが、これに限らない。
【００４８】
例えば、光の波長が所定範囲（例えば、４４０ｎｍ−５６０ｎｍ；光の波長が５００ｎｍ付近中心）で、窒化ニオブ層における光吸収率がフラットな最大値を取るように、誘電体多層膜１１の材質、膜厚及びレイヤー数を設定しても構わない。すると、図４に例示する如く、広帯域波長のバンドパスフィルタ効果を備えるＳＳＰＤの実用化が可能となる。
【００４９】
また、光の波長が所定値（例えば、１５５０ｎｍ）付近で、窒化ニオブ層における光吸収率が最大値を取り、光の波長が所定値（例えば、１６００ｎｍ）以上で、窒化ニオブ層における光吸収がカットオフするように、誘電体多層膜１１の材質、膜厚及びレイヤー数を設定しても構わない。すると、図５に例示する如く、カットオフ波長を設けることでフィルタ効果を備えるＳＳＰＤの実用化が可能となる。
【００５０】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の一態様は、従来に比べ、様々な波長スペクトル特性を持たせ得るＳＳＰＤを提供する。よって、本発明の一態様は、例えば、量子通信、量子光学、ライフサイエンス等の幅広い分野において注目を集めているＳＳＰＤに利用できる。
【符号の説明】
【００５２】
１０  基板
１１  誘電体多層膜
１２  ナノワイヤ（窒化ニオブ配線）
１３  伝送経路
１００  超伝導単一光子検出器（ＳＳＰＤ）
【図１Ａ】
0006440304.tif 000003
【図１Ｂ】
0006440304.tif 000004
【図２】
0006440304.tif 000005
【図３Ａ】
0006440304.tif 000006
【図３Ｂ】
0006440304.tif 000007
【図３Ｃ】
0006440304.tif 000008
【図４】
0006440304.tif 000009
【図５】
0006440304.tif 000010