(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層誘電体膜により実現されるフィルタリング機能を備えたデバイスである多層膜フィルタと、
前記多層膜フィルタ上に設けられる下反射防止層と、
前記下反射防止層上に設けられる基板と、
前記基板上に設けられる上反射防止層と、
前記上反射防止層の表面に結合された光キャビティ構造と、
前記上反射防止層と前記光キャビティ構造の間に結合された超伝導ナノワイヤと、
前記光キャビティ構造の表面に結合された反射ミラーと、
を含むことを特徴とする多層膜フィルタを設けた超伝導ナノワイヤ単一光子検出器。
【請求項２】
前記基板はシリコン基板、ＭｇＯ基板、サファイア基板であり、前記光キャビティ構造の材料は二酸化ケイ素又は一酸化ケイ素であり、前記上反射防止層、下反射防止層の材料は二酸化ケイ素又は一酸化ケイ素であり、前記超伝導ナノワイヤの材料はＮｂＮ、Ｎｂ、ＴａＮ、ＮｂＴｉＮ又はＷＳｉであり、前記反射ミラーの材料はＡｇ、Ａｕ又はＡｌであることを特徴とする請求項１に記載の多層膜フィルタを設けた超伝導ナノワイヤ単一光子検出器。
【請求項３】
前記多層膜フィルタは、交互に積層された二酸化ケイ素層及びケイ素層、交互に積層された一酸化ケイ素層及びケイ素層、及び交互に積層された二酸化ケイ素層及び一酸化ケイ素層のいずれかを含むことを特徴とする請求項１に記載の多層膜フィルタを設けた超伝導ナノワイヤ単一光子検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光検出技術の分野に関するものであり、特に、超伝導ナノワイヤ単一光子検出器における外因性ダークカウントを低下させる方法及び検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
超伝導ナノワイヤ単一光子検出器（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｎａｎｏｗｉｒｅ Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈｏｔｏｎ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ，ＳＮＳＰＤ）は重要な光検出器であり、可視光から赤外線までの単一光子検出を実現可能である。ＳＮＳＰＤには、例えばＮｂＮ、Ｎｂ、ＴａＮ、ＮｂＴｉＮ、ＷＳｉといった低温超伝導の極めて薄いシート材が主に用いられる。代表的な厚みは約５〜１０ｎｍであり、通常、検出器には幅１００ｎｍ程度のメアンダ状ナノワイヤ構造が用いられる。図１に示すように、従来の超伝導ナノワイヤ単一光子検出器の構造は、上下両面に反射防止層を備えた基板２０〜４０、光キャビティ構造５０、超伝導ナノワイヤ６０及び反射ミラー７０を含む。
【０００３】
ＳＮＳＰＤは動作時に低温環境に置かれ（＜４Ｋ）、超伝導状態とされるとともに、検出器の臨界電流Ｉｃよりもやや小さい一定のバイアス電流Ｉｂが印加される。単一光子が検出器内のナノワイヤに入射するとクーパー対がバラバラとなり、大量の熱電子が生成されることで部分的なホットスポットが形成される。ホットスポットはバイアス電流Ｉｂの作用下でジュール熱により拡散され、最終的にナノワイヤの一部にクエンチが発生して抵抗領域が形成される。続いて、熱電子エネルギーは電子フォノン相互作用により伝達及び緩和され、再び超伝導状態のクーパー対となる。超伝導材料の熱緩和時間が短いことから、ＳＮＳＰＤは単一光子を受信すると、すぐに検出器両端に高速の電子パルス信号を発生させることで単一光子検出機能を実現する。
【０００４】
ダークカウントは単一光子検出器の主なパラメータの１つとされ、信号光子とは無関係なエラーカウントのことである。ＳＮＳＰＤにおけるダークカウントの原因には２つある。１つは、ＳＮＳＰＤナノワイヤの磁束が渦運動することによるダークカウントであり、これを内因性ダークカウントという。内因性ダークカウントは検出器の動作電流に関係し、動作電流が臨界電流に非常に接近した場合にのみ発生する。且つ、カウント率とバイアス電流には指数関数関係がある。一方、非信号光子により触発されるＳＮＳＰＤのカウントを外因性ダークカウントといい、（１）光ファイバ材料自体の熱放射により誘導されるダークカウントや、（２）ＳＮＳＰＤの動作時に、動作環境の各種光（熱）放射のうち少量が光ファイバのクラッド層を透過して光ファイバに進入し、迷光としてＳＮＳＰＤのカウントを触発したものがあり得る。外因性ダークカウントは一定量の光子放射と同等となり得、誘導されるダークカウントと検出器の検出効率は正比例する。よって、ダークカウントは多くの単一光子検出の応用にとって極めて重要である。特に、光ファイバの長距離量子通信にとって、ダークカウントレベルはコード化におけるＳＮ比（信号対ノイズ比）や通信距離を決定する重要パラメータとなる。現在、内因性ダークカウントを完全に解決するための有効な方法はなく、通常はＳＮＳＰＤのバイアス電流を低下させるという手段が用いられている。このような条件下では、外因性ダークカウントが決定的な影響力を持つことになる。日本のＳｈｉｂａｔａらは低温下において光ファイバに光ファイバフィルタを導入する方法を提示しており、外因性ダークカウントを効果的に低下可能である。しかし、この方法では信号光が明らかに減衰（約３ｄＢ）することにもなり、検出器の検出効率に直接影響してしまう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
以上述べた従来技術の欠点に鑑みて、本発明は、外因性ダークカウントによりナノワイヤ単一光子検出器の性能が低下するという従来技術の課題を解決するために、超伝導ナノワイヤ単一光子検出器における外因性ダークカウントを低下させる方法及び検出器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、多層膜フィルタを設けた超伝導ナノワイヤ単一光子検出器を提供する。当該検出器は、多層誘電体膜により実現されるフィルタリング機能を備えたデバイスである多層膜フィルタと、前記多層膜フィルタ上に設けられる下反射防止層と、前記下反射防止層上に設けられる基板と、前記基板上に設けられる上反射防止層と、前記上反射防止層の表面に結合された光キャビティ構造と、前記上反射防止層と前記光キャビティ構造の間に結合された超伝導ナノワイヤと、前記光キャビティ構造の表面に結合された反射ミラーと、を含む。
【００１３】
本発明における多層膜フィルタを設けた超伝導ナノワイヤ単一光子検出器の好ましい方案としては、前記基板はシリコン基板、ＭｇＯ基板、サファイア基板であり、前記光キャビティ構造の材料は二酸化ケイ素又は一酸化ケイ素であり、前記上反射防止層、下反射防止層の材料は二酸化ケイ素又は一酸化ケイ素であり、前記超伝導ナノワイヤの材料はＮｂＮ、Ｎｂ、ＴａＮ、ＮｂＴｉＮ又はＷＳｉであり、前記反射ミラーの材料はＡｇ、Ａｕ又はＡｌ等である。
【００１４】
本発明における多層膜フィルタを設けた超伝導ナノワイヤ単一光子検出器の好ましい方案としては、前記多層膜フィルタは、交互に積層された二酸化ケイ素層及びケイ素層、交互に積層された一酸化ケイ素層及びケイ素層、及び交互に積層された二酸化ケイ素層及び一酸化ケイ素層のいずれかを含む。
【００１５】
上述したように、本発明は、前記超伝導ナノワイヤ単一光子検出器に多層膜フィルタを設けるステップを含み、前記多層膜フィルタが多層誘電体膜により実現されるフィルタリング機能を備えたデバイスである、超伝導ナノワイヤ単一光子検出器における外因性ダークカウントを低下させる方法及び検出器を提供する。前記外因性ダークカウントとは、光ファイバの黒体放射及び外部迷光により触発されるダークカウントのことである。前記超伝導ナノワイヤ単一光子検出器は、前記多層膜フィルタの表面に結合されるとともに、上下表面に上反射防止層と下反射防止層がそれぞれ結合された基板、前記基板における上反射防止層の表面に結合された光キャビティ構造、前記基板における上反射防止層と光キャビティ構造の間に結合された超伝導ナノワイヤ、前記光キャビティ構造の表面に結合された反射ミラー、を含む。本発明は操作が簡単であり、超伝導ナノワイヤ単一光子検出器（ＳＮＳＰＤ）の基板に多層膜フィルタを設けるだけで非信号放射が濾過される。当該方法は、信号放射及び検出器の光カップリング効率を保証するとともに、外因性ダークカウントを効果的に低下させることで、特定のダークカウント条件下における検出器の検出効率を高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、従来の超伝導ナノワイヤ単一光子検出器の構造を示す図である。
【図２】図２は、本発明における多層膜フィルタを設けた超伝導ナノワイヤ単一光子検出器の構造を示す図である。
【図３】図３は、従来構造のＳＮＳＰＤ（ｎｏｒｍａｌ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）及び本発明の多層膜フィルタを設けた超伝導ナノワイヤ単一光子検出器のＳＮＳＰＤ（ｆｉｌｔｅｒ）における理論上の波長-カップリング効率を示すグラフであり、グラフ内の挿入図は１５５０ｎｍ波長部分の拡大図である。
【図４】図４は、従来構造のＳＮＳＰＤ（ｎｏｒｍａｌ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）及び本発明の多層膜フィルタを備えたＳＮＳＰＤ（ｆｉｌｔｅｒ）で実際に測定した波長-透過率を示すグラフであり、グラフ内の挿入図は１５５０ｎｍ波長部分の拡大図である。
【図５】図５は、従来構造のＳＮＳＰＤ（ｎｏｒｍａｌ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）におけるバイアス電流-カップリング効率及びバイアス電流-ダークカウントを示す図である。
【図６】図６は、本実施例における多層膜フィルタを設けた超伝導ナノワイヤ単一光子検出器のバイアス電流-カップリング効率及びバイアス電流-ダークカウントを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、特定の具体的実例によって本発明の実施形態を説明するが、当業者は、本明細書に開示される内容から本発明における他の利点及び効果を容易に理解可能である。本発明はその他異なる具体的実施形態によっても実施又は応用可能であり、本明細書の各詳細事項もまた、別の視点及び応用によって、本発明の精神を逸脱しないことを前提に各種の補足又は変更が可能である。
【００１８】
図１〜図６を参照する。なお、本実施例で提示する図面は本発明の基本思想を概略的に説明するためのものにすぎず、図中には本発明に関連する構成要件のみを示しており、実際の実施時における構成要件の数、形状及びサイズに基づき描画してはいない。実際の実施時における各構成要件の形態、数及び比率は任意に変更可能であり、且つ構成要件の配置形態がより複雑となることもある。
【００１９】
図１〜２に示すように、本実施例は超伝導ナノワイヤ単一光子検出器における外因性ダークカウントを低下させる方法を提供する。当該方法は、前記超伝導ナノワイヤ単一光子検出器に多層膜フィルタ１０を設けるステップを含み、前記多層膜フィルタ１０は多層誘電体膜により実現されるフィルタリング機能を備えたデバイスである。
【００２０】
一例として、前記外因性ダークカウントとは、光ファイバの黒体放射及び外部迷光等を原因として触発されるダークカウントのことである。
【００２１】
一例として、前記超伝導ナノワイヤ単一光子検出器は、前記多層膜フィルタ１０の表面に結合されるとともに、上下表面に上反射防止層４０と下反射防止層３０がそれぞれ結合された基板２０、前記基板２０における上反射防止層４０の表面に結合された光キャビティ構造５０、前記基板２０における上反射防止層４０と光キャビティ構造５０の間に結合された超伝導ナノワイヤ６０、前記光キャビティ構造５０の表面に結合された反射ミラー７０、を含む。
【００２２】
更に、前記光キャビティ構造５０の材料は二酸化ケイ素又は一酸化ケイ素であり、上反射防止層４０及び下反射防止層３０は二酸化ケイ素であり、前記基板２０はシリコン基板、ＭｇＯ基板、サファイア基板であり、前記上反射防止層４０、下反射防止層３０の材料は二酸化ケイ素又は一酸化ケイ素であり、前記超伝導ナノワイヤ６０の材料はＮｂＮ、Ｎｂ、ＴａＮ、ＮｂＴｉＮ又はＷＳｉであり、前記反射ミラー７０の材料はＡｇ、Ａｕ又はＡｌ等である。いうまでもなく、上述した数例は本発明における幾つかの好ましい方案にすぎず、他の実施例では別種の材料を適用する場合もある。従って、以上に列挙した数例に限定されることはない。
【００２３】
本実施例では、前記光キャビティ構造５０の材料は一酸化ケイ素とし、厚みを検出器により検出される光の波長の４分の１とする。
【００２４】
前記超伝導ナノワイヤ６０の材料はＮｂＮとし、幅を１００ナノメートル、厚みを７ナノメートル、周期を２００ナノメートルとする。また、前記超伝導ナノワイヤ６０はメアンダ状構造とする。いうまでもなく、他の実施例においては、前記超伝導ナノワイヤ６０の材料、サイズ及び形状はいずれも実際の必要に応じて変更可能であり、ここで列挙する状況に限らない。
【００２５】
前記反射ミラー７０の材料はＡｇとし、厚みを１３０ナノメートルとする。なお、これに限ることなく、別種の反射材料及び厚みを本発明に適用してもよいことはいうまでもない。また、上述の超伝導ナノワイヤ単一光子検出器は本実施例における好ましい形態にすぎず、本実施例の多層膜フィルタ１０は他の構造の超伝導ナノワイヤ単一光子検出器にも同様に適用可能である。
【００２６】
一例として、前記多層膜フィルタ１０は、交互に積層された二酸化ケイ素層１０１及びケイ素層１０２、交互に積層された一酸化ケイ素層及びケイ素層、又は交互に積層された二酸化ケイ素層及び一酸化ケイ素層のいずれかを含む。本実施例において、前記多層膜フィルタ１０は交互に積層された二酸化ケイ素層１０１及びケイ素層１０２を含み、１６層の二酸化ケイ素層１０１及び１６層のケイ素層１０２を備えた合計３２層の多層膜からなる。いうまでもなく、他の実施例ではフィルタリング機能を備えた別種の多層膜を適用してもよい。
【００２７】
図２に示すように、本実施例は更に、多層膜フィルタ１０を設けた超伝導ナノワイヤ単一光子検出器を提供する。当該検出器は、超伝導ナノワイヤ単一光子検出器、前記超伝導ナノワイヤ単一光子検出器に設けられ、多層誘電体膜により実現されるフィルタリング機能を備えたデバイスである多層膜フィルタ１０を含む。
【００２８】
一例として、前記超伝導ナノワイヤ単一光子検出器は、前記多層膜フィルタ１０の表面に結合されるとともに、上下表面に上反射防止層４０と下反射防止層３０がそれぞれ結合された基板２０、前記基板２０における上反射防止層４０の表面に結合された光キャビティ構造５０、前記基板２０における上反射防止層４０と光キャビティ構造５０の間に結合された超伝導ナノワイヤ６０、前記光キャビティ構造５０の表面に結合された反射ミラー７０、を含む。
【００２９】
更に、前記光キャビティ構造５０の材料は二酸化ケイ素又は一酸化ケイ素であり、前記基板２０はシリコン基板、ＭｇＯ基板、サファイア基板であり、前記上反射防止層４０、下反射防止層３０の材料は二酸化ケイ素又は一酸化ケイ素であり、前記超伝導ナノワイヤ６０の材料はＮｂＮ、Ｎｂ、ＴａＮ、ＮｂＴｉＮ又はＷＳｉであり、前記反射ミラー７０の材料はＡｇ、Ａｕ又はＡｌ等である。いうまでもなく、上述した数例は本発明における幾つかの好ましい方案にすぎず、他の実施例では別種の材料を適用する場合もある。従って、以上に列挙した数例に限定されることはない。
【００３０】
本実施例では、前記光キャビティ構造５０の材料は一酸化ケイ素とし、厚みを検出器により検出される光の波長の４分の１とする。
【００３１】
前記超伝導ナノワイヤ６０の材料はＮｂＮとし、幅を１００ナノメートル、厚みを７ナノメートル、周期を２００ナノメートルとする。また、前記超伝導ナノワイヤ６０はメアンダ状構造とする。いうまでもなく、他の実施例においては、前記超伝導ナノワイヤ６０の材料、サイズ及び形状はいずれも実際の必要に応じて変更可能であり、ここで列挙する状況に限らない。
【００３２】
前記反射ミラー７０の材料はＡｇとし、厚みを１３０ナノメートルとする。なお、これに限ることなく、別種の反射材料及び厚みを本発明に適用してもよいことはいうまでもない。また、上述の超伝導ナノワイヤ単一光子検出器は本実施例における好ましい形態にすぎない。本実施例の多層膜フィルタ１０は他の構造の超伝導ナノワイヤ単一光子検出器にも同様に適用可能であり、ここで列挙した数例に限定されない。
【００３３】
一例として、前記多層膜フィルタ１０は、交互に積層された二酸化ケイ素層１０１及びケイ素層１０２、交互に積層された一酸化ケイ素層及びケイ素層、又は交互に積層された二酸化ケイ素層及び一酸化ケイ素層のいずれかを含む。本実施例において、前記多層膜フィルタ１０は交互に積層された二酸化ケイ素層１０１及びケイ素層１０２を含み、１６層の二酸化ケイ素層１０１及び１６層のケイ素層１０２を備えた合計３２層の多層膜からなる。いうまでもなく、他の実施例ではフィルタリング機能を備えた別種の多層膜を適用してもよく、ここで列挙した数例に限定されない。
【００３４】
また、図３〜図６に示すように、本実施例では、本発明における前記多層膜フィルタ１０を設けた超伝導ナノワイヤ単一光子検出器について以下の性能試験を実施した。
【００３５】
（１）本実施例の多層膜フィルタ１０の検出器効率への影響
本実施例で用いる多層膜フィルタ１０は、交互に積層された二酸化ケイ素層１０１及びケイ素層１０２を含み、１６層の二酸化ケイ素層１０１及び１６層のケイ素層１０２を備えた合計３２層の多層膜からなり、図２に示すような多層膜構造となっている。このうち、ケイ素及び二酸化ケイ素の屈折率はそれぞれ３.５６及び１.４７である。従来の超伝導ナノワイヤ６０による単一光子検出器（ＳＮＳＰＤ）では、所望の波長帯における光を高めるために、通常は基板底部に反射防止層を積層している。しかし、屈折率のマッチイングの問題から、依然として部分的な光損失が発生することがある。図３は、一般的なＳＮＳＰＤ（ｎｏｒｍａｌ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）及び本発明の多層膜フィルタ１０を備えたＳＮＳＰＤ（ｆｉｌｔｅｒ）における理論上の波長-カップリング効率を示すグラフである。図３に示すように、本実施例の多層膜によって、理論的にはほぼ１００％の光を検出器に結合させることが可能となり、残りの周波数の光については濾過されることで、検出器に対する外部背景光の影響が抑制される。図４は、一般的なＳＮＳＰＤ（ｎｏｒｍａｌ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）及び本発明の多層膜フィルタ１０を備えたＳＮＳＰＤ（ｆｉｌｔｅｒ）で実際に測定した波長-透過率を示すグラフである。図４より、一般的な構造と比べて、本実施例の設計による多層膜フィルタ１０は１５５０ｎｍにおける通過帯域効果が良好なことがわかる。検出器の検出効率については、各検出器の検出効率に一定の分布が存在することから検出効率をそのまま比較することはできない。しかし、図４の結果より、一般的な両面酸化基板に比べて、多層膜構造では設計波長帯のカップリング効率を効果的に向上させられることから、検出器の量子効率が向上することが明らかである。
【００３６】
（２）ＳＮＳＰＤに多層膜フィルタ１０を設けることによるダークカウントへの影響
ＳＮＳＰＤに多層膜フィルタ１０を設けることで、図２に示すようなＳＮＳＰＤが実現される。バイアス電流が低い場合、図５〜図６に示すように、ダークカウントは良好に抑制される。図５は、一般的な構造のＳＮＳＰＤ（ｎｏｒｍａｌ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）におけるバイアス電流-カップリング効率及びバイアス電流-ダークカウントを示す図である。図６は、本実施例における多層膜フィルタ１０を設けた超伝導ナノワイヤ単一光子検出器のバイアス電流-カップリング効率及びバイアス電流-ダークカウントを示す図である。両図を比較すると、バイアス電流が低い場合、本実施例の多層膜フィルタ１０を設けた超伝導ナノワイヤ単一光子検出器は、一般的な構造のＳＮＳＰＤよりもダークカウントが良好に抑制されることがわかる。
【００３７】
上述したように、本発明は、前記超伝導ナノワイヤ単一光子検出器に多層膜フィルタ１０を設けるステップを含み、前記多層膜フィルタ１０が多層誘電体膜により実現されるフィルタリング機能を備えたデバイスである、超伝導ナノワイヤ単一光子検出器における外因性ダークカウントを低下させる方法及び検出器を提供する。前記外因性ダークカウントとは、光ファイバの黒体放射及び外部迷光により触発されるダークカウントのことである。前記超伝導ナノワイヤ単一光子検出器は、前記多層膜フィルタ１０の表面に結合されるとともに、上下表面に上反射防止層４０と下反射防止層３０がそれぞれ結合された基板２０、前記基板２０における上反射防止層４０の表面に結合された光キャビティ構造５０、前記基板２０における上反射防止層４０と光キャビティ構造５０の間に結合された超伝導ナノワイヤ６０、前記光キャビティ構造５０の表面に結合された反射ミラー７０、を含む。本発明は操作が簡単であり、超伝導ナノワイヤ単一光子検出器（ＳＮＳＰＤ）の基板に多層膜フィルタを設けるだけで非信号放射が濾過される。当該方法は、信号放射及び検出器の光カップリング効率を保証するとともに、外因性ダークカウントを効果的に低下させることで、特定のダークカウント条件下における検出器の検出効率を高めることが可能となる。よって、本発明は従来技術における種々の欠点を効果的に克服するものであり、高度な産業上の利用価値がある。
【００３８】
なお、上述の実施例は本発明の原理及び効果を例示により説明するものにすぎず、本発明を限定する主旨ではない。当業者であれば、本発明の精神及び範疇を逸脱しないことを前提に、上述の実施例を補足又は変更可能である。従って、当業者が本発明に開示される精神及び技術思想を逸脱することなく行うあらゆる等価の補足又は変更は、依然として本発明の特許請求の範囲に包括されるものとする。
【符号の説明】
【００３９】
１０  多層膜フィルタ
１０１  二酸化ケイ素層
１０２  ケイ素層
２０  基板
３０  下反射防止層
４０  上反射防止層
５０  光キャビティ構造
６０  超伝導ナノワイヤ
７０  反射ミラー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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