(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光子を検出する方法であって、
超伝導体のストリップを準備する過程と、
その超伝導体ストリップに電気的にバイアスをかける過程と、
バイアスをかけたその超伝導体ストリップに光を導く過程と
を含み、
前記バイアスを前記超伝導体ストリップに入射する単光子の検出のために前記超伝導体ストリップの臨界電流の近傍のレベルにかけてある
方法。
【請求項２】
前記単光子を前記超伝導体ストリップからの出力パルスの測定によって検出する請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記超伝導体ストリップを窒化ニオブで構成した請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記単光子が可視光領域と遠赤外領域との間の波長を備える請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記超伝導体ストリップが曲がりくねった形状を備える請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記超伝導体ストリップが約200nm以下の幅を備える請求項２記載の方法。
【請求項７】
バイアス源に接続した超伝導体膜を含む光子検出器であって、その超伝導体膜をその超伝導体膜の臨界電流の近傍のレベルにバイアスをかけてあり、その超伝導体膜が入射単光子の検出を可能にするような寸法を備える光子検出器。
【請求項８】
前記超伝導体ストリップを窒化ニオブで構成した請求項７記載の光子検出器。
【請求項９】
前記超伝導体膜の幅が約200nm以下である請求項７記載の光子検出器。
【請求項１０】
前記超伝導体膜が前記入射単光子を吸収すると検出可能な抵抗性領域を形成する請求項７記載の光子検出器。
【請求項１１】
前記超伝導膜の端部にそれぞれ結合した一対のコンタクトパッド
をさらに含み、
前記バイアス源を前記コンタクトパッド経由で前記超伝導体膜に接続した請求項７記載の光子検出器。
【請求項１２】
前記超伝導体膜が曲がりくねった形状を備える請求項７記載の光子検出器。
【請求項１３】
前記コンタクトパッドが金を含む請求項１１記載の光子検出器。
【請求項１４】
光ファイバを用いて光線を前記超伝導体膜に導く請求項７記載の光子検出器。
【請求項１５】
半球状レンズにより光線を前記超伝導体膜に導く請求項７記載の光子検出器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は概括的には光検出器に関し、より詳しくいうと単光子検出器に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
光検出器は光の入射を受けて電圧または電流出力信号を生ずるデバイスである。光検出器には二つの基本的な種類、すなわち線型検出器と量子検出器とがある。線型検出器は入射光強度または平均光電力の線型関数を表す出力信号を生ずる。量子検出器は入力光の光子の検出時に出力信号を生ずる。
【０００３】
単光子検出器は入射光子を１個ずつ検出できる量子検出器である。市販の単光子検出器は電磁波スペクトラムの可視光波長領域およびそれよりも短い波長領域で光子を検出する。それら市販の検出器にはEG&G Optoelectronics社製のＣ30954型シリコンアバランシェフォトダイオード（SiAPD）などがある。通常のSiAPDは波長900nmの光子に対する感度70A/W（アンペア／ワット）を備え、その感度は波長1064nmの光子に対しては36A/Wに低下する。現在市販されているSiAPDは波長1100nm以上の光子を検出するには感度が十分でない。
【０００４】
超伝導ＮｂＮ（窒化ニオブ）膜で作ったホットエレクトロン光検出器の特性の検討結果がApplied Physics Letters誌第73巻第26号（1998年12月18日発行）第3938頁乃至第3940頁所載のK.S.イリン，I.I.ミロストナヤ，A.A.ヴェレフキン，G.N.ゴルツマン，E.M.ゲルシェンゾン，およびローマン ソボレフスキ共著の論文「超伝導ホットエレクトロン光検出器の究極的量子効率」、およびApplied Physics letters誌第76巻第19号（2000年５月８日発行）第2752頁乃至2754頁所載のK.S.イリン，M.リンドグレン，M.カリー，A.D.セメーノフ，G.N.ゴルツマン，ローマン ソボレフスキ，S.I.チェレドウィチェンコ，およびE.M.ゲルシェンゾンの共著の論文「ＮｂＮ超伝導光検出器におけるピコ秒ホットエレクトロンエネルギー緩和」に記載されている。これら刊行物をここに参照してその内容をこの明細書に組み入れる。これら刊行物の著者の一部はこの発明の発明者でもある。上記第１の論文は「ＮｂＮ ＨＥＰは遠赤外線の単量子を検出可能であってＳＩＳトンネルデバイスと単光子検出装置として競合し得る」と示唆しているが（Applied Physics letters誌第73巻第26号第3940頁）、それ以上の記載は含んでいない。上記第２の論文は線型ＮｂＮ光検出器および量子ＮｂＮ光検出器の両方に該当するＮｂＮにおけるホットエレクトロン効果の固有の応答時間を検討している。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明は上述の従来技術の光検出器の限界を、可視光領域から遠赤外線領域にわたる波長の光子に良好な量子効率を示す高時間分解能単光子検出器の提供によって解消する。
【０００６】
一つの実施例では、この単光子検出器は超伝導材料ストリップを備える。この超伝導体をその超伝導体の臨界電流値近傍の電流値にバイアスする。この超伝導体は一つの入射光子を吸収すると認識可能な出力パルス信号を生ずる。一つの実施例ではこの超伝導体を幅狭のＮｂＮ膜ストリップで形成する。もう一つの実施例では、表面積を拡大して光源からの光子の吸収の確率を高めるためにそのストリップを曲がりくねった形状にする。
【０００７】
この発明の単光子検出器は宇宙通信、衛星通信、量子暗号化法、微弱発光、半導体デバイス試験など多様な用途に使うことができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
同じ構成要素には同じ参照数字を付けて示した図面を参照してこの発明の実施例を述べると、図１Ａはこの発明による超伝導単光子検出器（ＳＳＰＤ）を備える光子カウンタのブロック図を示す。図１Ａにおいて、ＳＳＰＤ１２は所要光学系（図示してない）内蔵の光源１１からの光子１６を検出する。なお、光源１１は光子カウンタ１０の一部に含める必要はなく、切換えに応じて光子を放出するトランジスタで構成できる。入射光子を吸収すると、ＳＳＰＤ１２はそれに応答してパルス状出力電気信号を生じ、この電気信号を増幅器１３で増幅する。この出力パルス信号の各々をデータ捕捉システム（ＤＡＱ)１４（例えば所要のインタフェース回路およびソフトウェアつきのコンピュータで構成）に記録して計数する。
【０００９】
一つの実施例では、ＳＳＰＤ１２は入射光子１個吸収時に出力パルス信号１個を生ずるように電気的にバイアスをかけた超伝導材料の幅狭で薄いストリップで構成する。図１Ｂの平面図に示すとおり、この実施例のＳＳＰＤ１２は約200nmの幅Ｄ１と、約１μmの長さと、約５nmの厚さとを有するＮｂＮ（窒化ニオブ）の幅狭のストリップで構成してある。直流（ＤＣ）バイアス電流源（図示してない）から金コンタクトパッド４２経由でバイアス電流をＳＳＰＤ１２に供給する。ＳＳＰＤ１２およびコンタクトパッド４２は、サファイアや赤外線および可視光線用の水晶などから成る基板上に慣用技術により配置する。赤外線用などの場合はシリコンも基板形成用に用いることができる。ＳＳＰＤ１２は通常は光源１１に向けるがその構成に限られない。入射光子がない場合、ＳＳＰＤ１２を慣用技術により超伝導状態に冷却した状態ではＳＳＰＤ１２の端子電圧は零ボルトである。すなわち、ＳＳＰＤは超伝導体であって、超伝導状態時には抵抗値が零オームになるからである。ＳＳＰＤ１２は光子が入射すると抵抗を呈する状態になり、ＳＳＰＤ１２の端子間に電圧を生じさせ、その電圧をＤＡＱ１４で検出する。
【００１０】
周知のとおり、ＳＳＰＤ１２などの超伝導体は、その超伝導体を流れる電流の量、その超伝導体の温度、その超伝導体の周囲の外部磁界が臨界値と呼ばれる特定の値以下に維持されているときだけ超伝導状態に留まる。これら臨界値（すなわち、臨界電流、臨界温度および臨界磁界強度）は超電動材料およびその寸法で定まる。入射光子がない場合にＳＳＰＤ１２を超伝導状態に保つために、ＳＳＰＤ１２を10Kelvin以下（ＮｂＮ薄膜の臨界温度のごく近傍）、例えば4.2Kelvinの温度に保ち、通常の超伝導の場合と同様に周囲の地磁気磁界中に置く。ＳＳＰＤ１２を流れるバイアス電流を感度上昇のために臨界値よりもわずかに低い値に設定し、単光子検出を可能にする。ＳＳＰＤ１２の臨界電流はそのＳＳＰＤ１２を臨界温度および臨界磁界強度よりも十分低い値に維持したのちＳＳＰＤ１２内電流値を超伝導状態（抵抗値零の状態）から抵抗呈示状態（ある抵抗値を示す状態）への遷移の発生まで増加させることによって実験的に測定する。
【００１１】
図２Ａ乃至図２Ｄは単光子の吸収によりＳＳＰＤ１２の端子に生ずる電圧パルスの原因とみられる物理的プロセスの図解である。しかし、ＳＳＰＤの製造または使用にこの現象の理解が必須というわけではない。図２Ａ乃至図２Ｄの中の点線矢印はＳＳＰＤ１２中を流れるバイアス電流を概括的に示す。図２Ａを参照すると、ＳＳＰＤ１２に入射する光子がホットスポット２１、すなわち電子温度がＳＳＰＤ１２周辺温度よりもずっと高い領域２１を生ずる。ホットスポット２１の直径は入射光子のエネルギーに左右される。数ピコ秒以内にホットスポット２１はＳＳＰＤ１２内でさらに拡散し、より大きいホットスポット２２になる（図２Ｂ）。ホットスポット２２はＳＳＰＤ内の超伝導状態を脱した領域を区画する。ホットスポット１２は抵抗性の領域であるので、バイアス電流はホットスポット２２の周辺経由でホットスポット２２とＳＳＰＤ１２端部との間の超伝導状態維持領域を流れる。これによって、その超伝導状態維持領域の電流密度が臨界電流密度以上になり、超伝導状態が損なわれて抵抗状態領域２４（スリップセンターともいう）を形成する（図２Ｃ）。このようにしてＳＳＰＤ１２の幅全体を横切る抵抗性領域２５（図２Ｄ）が生ずる。この抵抗性領域２５を通じて流れるバイアス電流がＳＳＰＤ１２の端子間に電圧を生じさせる。
【００１２】
ホットスポット（すなわち抵抗性）領域の形成のあと、ホットスポット領域からの電子の拡散および電子・光子間エネルギー緩和による電子温度の同時並行的低下に伴う冷却プロセスが生ずる。この冷却プロセスは数十ピコ秒を要し、その結果ホットスポット（および抵抗性領域２５）は自動的に消滅し、ＳＳＰＤ１２端子間に超伝導経路が再び形成される。ホットスポット形成および回復のプロセスにより固有幅約30ピコ秒のパルス状の出力電圧信号を生ずる。この電圧パルスの幅は超伝導材料の特性および入射光子のエネルギーで決まる。出力電圧パルスの時間幅は数十ピコ秒止まりであるので、ＳＳＰＤ１２は入射光子エネルギーを時間的に分解でき、非常に高い繰返し速度（例えば毎秒10９個の光子）で入射する光子を一個ずつ分解検出できる。
【００１３】
図１Ｂに戻ると、ＳＳＰＤ１２の寸法Ｄ１は一つの実施例では約200nmである。寸法Ｄ１を200nmよりも大幅に大きくすると、バイアス電流が常に超伝導状態に留まり、ホットスポットのまわりの電流密度を超えることなくホットスポットのまわりを流れ得るので、検出可能な抵抗性領域２５（図２Ｄ）は形成されない。寸法Ｄ１を大きくして高エネルギー（例えば紫外線）光子の検出に備えることもできる。赤色光領域乃至近赤外領域の光子の検出にはＮｂＮ ＳＳＰＤではＤ１の寸法は200nmが適切である。幅狭部の長さ、すなわち寸法Ｄ２は一つの実施例では１μmである。この幅狭部の長さは出力電圧パルスの原因となる物理的プロセスには影響しないが、表面積の変化を生じさせるのでＳＳＰＤ１２全体としての量子効率を変化させる。上記幅狭部の厚さは一つの実施例では約５nmである。ＳＳＰＤの厚さはホットエレクトロンの温度上昇プロセスおよび緩和プロセス、すなわちホットスポットの回復に関わるこれらプロセスに直接に影響する。ここに述べた寸法および臨界値がこの実施例（赤色光線領域および近赤外領域の光子の検出用に設計してある）に特有であって対象の光子のエネルギーレベルおよび採用超伝導材料に応じて変えられることはもちろんである。例えば、ＳＳＰＤ１２の寸法は、紫外線、可視光線または遠赤外線の各領域の波長を備える光子を検出するように変えることができる。
【００１４】
この発明によると任意の超伝導材料の薄い幅狭のストリップをＳＳＰＤとして採用できる。Ｎｂ（ニオブ）、Ｐｂ（鉛）またはＳｎ（錫）など上記以外の金属超伝導体（いわゆる低温超伝導体）も幅の寸法Ｄ１を幾分大きくして赤色光線領域および近赤外域の光子の検出用のＳＳＰＤとすることができる。しかし、それら金属超伝導体は、ホットエレクトロン緩和プロセスの低速性に起因する大幅に遅い出力電圧応答（ナノ秒乃至マイクロ秒領域）のためにＮｂＮほどの時間分解能力は示さない。ＹＢＣＯ（イットリウムバリウム酸化銅化合物）など最近発見された高温超伝導体は10nm乃至100nm程度の寸法Ｄ１を要し約１ピコ秒程度の応答時間を発揮するものと予測される。
【００１５】
図１ＣはＳＳＰＤ１２と同じ種類の超伝導単光子検出器１０１（ＳＳＰＤ１０１）の平面図である。ＳＳＰＤ１０１は表面積の最大化および光源からの入射光子の捕捉確率の向上のために曲がりくねった形状を備える。一つの実施例では、ＳＳＰＤ１０１を約0.2μmの幅Ｄ５、約３μmのデバイス長Ｄ６、および約５nmの厚さを備える連続したＮｂＮ膜で構成する。上記以外の曲がりくねった形状（例えばジグザグ形）も採用できる。
【００１６】
図３Ａ乃至図３Ｌはこの発明の一つの実施例によって製造中のＳＳＰＤ１２などの超伝導単光子検出器の断面図を示す。この製造プロセスの理解に必要でない周知の工程は省略してある。また、この実施例では特定の製造プロセスパラメータを述べるが、ＳＳＰＤ製造にはこれ以外の製造プロセスも利用できるので、これらパラメータに限定されない。図３Ａを参照すると、厚さ５nmのＮｂＮ膜３２を反応性マグネトロンスパッタリングにより基板３１上に堆積させる。この反応性マグネトロンスパッタリング処理は、ドイツのLeybold−Herauss社から市販されているＬＨＺ−400型スパッタリング装置を次のパラメータ設定、すなわち残留圧力1.3×10−６mbar、基板温度900℃、Ｎ２分圧1.3×10−５mbar、放電電圧260Ｖ、放電電流300mAの設定で用いて行う。基板３１は、例えば厚さ350μmのサファイア板の活性表面を研磨して構成する。厚さ125μmのＺカット水晶単結晶を両面研磨して基板とすることもできる。マイクロ波損失が小さく極低温特性の優れた高品質誘電体であれば任意のものを基板として使うことができる。
【００１７】
図３Ｂ乃至図３Ｄは後続のフォトリソグラフィ工程および電子ビームリソグラフィ工程に備えてＮｂＮ膜３２上にアラインメント構成を形成する工程を図解する。図３Ｂにおいて、厚さ1.0乃至1.5μmのフォトレジストマスク３３をＮｂＮ３２上に慣用のフォトリソグラフィを次のパラメータ、すなわちフォトレジスト材料ＡＺ1512、スピン速度3000乃至5000rpm、ベーキング90℃30分で用いて形成しパターニングする。ＮｂＮ膜３２表面上のフォトレジストマスク３３のアラインメントのためにKARL SUSS社製MA-56型露光装置を用いる。その結果形成された構造を覆って、二重層メタライゼーションプロセス（図３Ｃ）により厚さ５nmのチタン層３４とその上の厚さ100nmの金の層３５とを形成する（図３Ｃ）。これら金の層３５およびチタンの層３４は室温で残留圧力1.5×10−５Torrで真空蒸着により形成する。フォトレジストマスク３３は加熱アセトン中に上記構造を３分以上浸して除去し、金の層３５とチタンの層３４とから成るアラインメント構造を得る（図３Ｄ）。
【００１８】
図３Ｅ乃至図３ＧはＮｂＮ膜３２上に内部コンタクトパッドを形成する工程を図解する。図３Ｅにおいて、厚さ400nmのエレクトロンレジストマスク３６をＮｂＮ３２上に慣用の電子ビームリソグラフィを次のパラメータ、すなわちエレクトロンレジスト材料PMMA950、475、スピン速度3000rpm、ベーキング130℃10分乃至30分、電子ビーム露光電流300pA、電子ビーム露光電圧25kVで用いて形成し、パターニングする。図３Ｅおよび図３Ｇに寸法Ｄ２で示す（図１Ｂにも示す）エレクトロンレジストマスク３６の中間部の長さを、ＳＳＰＤの実効長を変えるように一つの実施例では約0.15μmから10μmの範囲で変えることができる。このエレクトロンレジストマスク３６は、次のパラメータ、すなわちＯ２圧力10−２Torr、残留圧力10−５Torr、放電電流10mA、処理時間15秒を用いた酸素プラズマにより清浄化する。次に、厚さ400nmの金の層３７を二重層メタライゼーションプロセスにより厚さ３nmのクロム層３８の上に形成する（図３Ｆ）。金の層３７とクロムの層３８とはLeybold-Herauss社製LH-960型電子ビーム蒸着装置を室温で残留圧力２×10−６Torrで用いて真空蒸着する。次にエレクトロンレジストマスク３６を除去し、金の層３７およびクロム層３８から成る内部コンタクトパッドを得る（図３Ｇ）。
【００１９】
図３Ｈ乃至図３Ｊは後続のイオンミリング工程に備えて二酸化シリコン（ＳｉＯ２）マスク、すなわち硬質マスクを形成する工程を図解している。図３Ｈにおいて、上述のエレクトロンレジストマスク３６の形成に用いたのと同様のプロセスを用いてＮｂＮ３２上にエレクトロンレジストマスク３９を形成する。次に、図３Ｉに示すとおり、ＳｉＯ２層４１を真空蒸着する。次に、エレクトロンレジストマスク３９を除去してＳｉＯ２層４１から成るＳｉＯ２マスクを残す（図３Ｊ）。光子に対して透明なこのＳｉＯ２マスクがＳＳＰＤの幅を区画する。
【００２０】
厚さ200nmの金の層４２とその下の厚さ７乃至10nmのチタンの層４３とから成りＮｂＮ３２をバイアス源などの外部装置に接続する外部コンタクトパッドを図３Ｋに示すとおり形成する。この外部コンタクトパッドは金層３７およびクロム層３８の形成に用いたの同様のプロセスを用いて形成する。次に、外部コンタクトパッドとアラインメント構造との間のＮｂＮ３２部分をアルゴンイオンミリングにより除去してＳＳＰＤデバイスを区画する（図３Ｌ）。
【００２１】
図４ＡはＳＳＰＤ１２を含むパルスカウンタ６０のブロック図である。パルスカウンタ６０において、ＳＳＰＤ１２は幅200nm、長さ１μm、厚さ５nmのＮｂＮ膜で形成する。光源１１はビームスプリッタ６２に光パルス１６を出力し、このビームスプリッタ６２で減衰器６３および光検出器６４にその光パルスを導く。パルスカウンタ６０において、光源１１は、Coherent Laser Group製モードロックＩＲレーザ（ＭＩＲＡレーザ）の場合は繰返し周波数76MHzで、Spectra-Physics社製モードロックレーザ（津波レーザ）の場合は繰返し周波数82MHzで幅狭の光パルスを生ずるレーザである。光源１１を１Hz乃至３kHｚで変調したＧａＡｓ半導体レーザで構成することもできる。光源１１からの光子の波長はこの実施例では約810nmである。これ以外の例では、波長500nm乃至2100nmの光子でも単光子検出を行っている。減衰器６３はＳＳＰＤ１２への入射光子の数をパルス１個あたり平均で光子１個以下に減らすのに用いてある。例えば、減衰器６３に吸収フィルタを追加したり逆に削減したりして、各パルスあたりの光子の発生確率を0.01とし、平均でパルス100個あたり光子１個になるようにすることもできる。
【００２２】
減衰器６３を通過した光子を慣用の集束レンズ６５によりＳＳＰＤ１２に集束する。直流（ＤＣ）バイアス電流源６７から広帯域低温バイアスＴ回路６６経由でＳＳＰＤ１２にバイアス電流を供給する（図４Ｂにも示す）。ＳＳＰＤ１２の出力信号をバイアスＴ回路６６経由で低温増幅器６８に送り、増幅して低温維持装置６９の外部に供給する。低温維持装置６９はＳＳＰＤ１２をその臨界温度以下に保つ慣用の液体ヘリウム低温維持装置である。低温増幅器６８は慣用の低温電力増幅器であって熱等価雑音（Ｔｎｏｉｓｅ）約５Kelvin、周波数範囲１乃至２GHz、利得（Ｋｐ）30dBを備える。バイアスＴ回路６６、低温増幅器６８およびＳＳＰＤ１２は慣用技術により低温維持装置のハウジング内に収容してある。低温増幅器６８の出力信号を電力７０でさらに増幅して、ＳＳＰＤ１２の出力信号を単一ショットオッシロスコープ７１で検出可能なレベルに上げる。電力増幅器７０は出力電力ピーク値約0.2Ｗ、周波数範囲0.9乃至2.1GHz、利得（Ｋｐ）32dBを備える。
【００２３】
慣用の光検出器６４はビームスプリッタ６２からの分割光パルスを検出し、その検出出力はオッシロスコープ７１をトリガして電力増幅器７０からの信号を取り込む。オッシロスコープ７１の表示画面の映像をＣＣＤビデオカメラ７２で撮影し、その出力を画像処理ハードウェアつきのコンピュータ７３に供給して分析する。オッシロスコープ７１、ＣＣＤビデオカメラ７２およびコンピュータ７３を含むデータ取込み用構成要素はこれら以外の構成要素と同様に例示のためのものである。
【００２４】
図４ＢはＳＳＰＤ１２用のバイアス電流供給回路の詳細を示す。図４Ｂに示すとおり、ＳＳＰＤ１２をバイアスＴ回路６６、ＤＣバイアス源６７および低温増幅器６８に接続するのに５０オーム伝送線路４０２（すなわち、伝送線路４０２Ａ、４０２Ｂ、４０２Ｃおよび４０２Ｄ）を用いてある。ＳＳＰＤ１２と伝送線路４０２Ａとの間の結合は、ＳＳＰＤ１２ハウジングの一部を構成する慣用の広帯域接続素子４０１による。バイアスＴ回路６６は図４ＢにコイルＬおよびコンデンサＣで概略的に示したＤＣポートとＡＣポートとを有する。バイアス回路のコイルＬおよびコンデンサＣは温度に影響されない定数を示すものが好ましい。極低温におけるこのバイアスＴ回路６６の特性を測定し、定数の温度変化に基づいて適切な値に定めることもできる。この実施例における適切な定数値は、温度４KelvinでコイルＬが0.2μH以上、コンデンサＣが1000pF以上である。ＳＳＰＤ１２からのパルス状電圧出力をバイアスＴ回路６６のＡＣポートに加えて低温増幅器６８で増幅したのち、伝送線路４０２Ｃ経由で低温維持装置６９の外部に供給する。バイアス電流源６７からのバイアス電流をバイアスＴ回路６６のＤＣポート経由でＳＳＰＤ１２に供給する。ＤＣバイアス電流源６７はバイアス電流供給用の可変ＤＣ電流源４０３と、供給バイアス電流値測定用の電流計４０６と，ＳＳＰＤ１２端子電圧測定用の電圧計４０５とを備える。ＤＣバイアス電流源６７はＳＳＰＤ１２が抵抗性状態に切り換わった際の端子電圧を制限する可変電圧制限回路４０７も併せ備える。電圧制限回路４０７の制限電圧値は通常約３mV乃至５mVに設定する。ＳＳＰＤ１２の臨界電流値は低温維持装置６９によりＳＳＰＤ１２を臨界温度よりも十分に低い値に維持することによって行う（なお、周辺の地磁気による磁界はＳＳＰＤ１２の臨界磁界よりも十分に小さい）。次に、可変ＤＣ電流源４０３をＳＳＰＤ１２が超伝導状態から抵抗状態に遷移するまで調整する。ＳＳＰＤ１２を抵抗状態に遷移させるバイアス電流値を電流計４０６で読みとり、これを臨界電流とする。ＳＳＰＤの通常の動作は臨界電流よりも低いバイアス電流で行われる。ＳＳＰＤ１２の通常のバイアス電流は４０乃至５０μAの範囲である。入射光子のない状態でＳＳＰＤ１２に不正確な遷移を生じさせることなくバイアス電流を臨界電流値にできるだけ近く設定するのが好ましい。
【００２５】
図４Ｃは4.2KelvinにおけるＳＳＰＤ１２の通常の電流対電圧特性である。図４Ｃにおいて、縦軸は電流計４０６によるＳＳＰＤ１２ＤＣバイアス電流測定値（μA）であり、横軸は電圧計４０５によるＳＳＰＤ１２端子電圧測定値（mV）を表す（図４Ｂ）。図４Ｃに示すとおり、ＳＳＰＤ１２の臨界電流は約４５μAである。バイアス電流が臨界電流以下であれば、ＳＳＰＤ１２は、０mV点から縦軸沿いに延びる線で示すとおり、超伝導状態に留まる。ＳＳＰＤ１２を流れる電流は40μAであるが、ＳＳＰＤ１２が超伝導状態にある間はＳＳＰＤ１２の端子電圧は０mVに留まる（ＳＳＰＤ１２は超伝導体であり超伝導状態では抵抗値零となるからである）。したがって、ＳＳＰＤ１２は通常状態では動作点「Ａ」に留まる。ＳＳＰＤ１２は光子を吸収すると抵抗性となって電流値を低下させ端子電圧を上昇させる。それによって、ＳＳＰＤの動作点は「Ａ」から、図４Ｃに「準安定領域」と表示した太い点線の領域の「Ｂ」に移る。なお、これら動作点「Ａ」および「Ｂ」は実線表示の50オーム負荷線、すなわちＳＳＰＤ１２に対して50オーム伝送線路が呈するインピーダンスを反映する負荷線で結ばれている。準安定領域と正常抵抗領域との間の分離点は臨界電流と50オーム負荷抵抗との積に対応する電圧レベル、すなわち図４Ｃの例では2.25mV（すなわち、45μA×50オーム＝2.25mV）の点である。光子の吸収のあと短い時間（数十ピコ秒）の間ＳＳＰＤ１２の動作点は点「Ｂ」に留まる。そのあと、ＳＳＰＤ１２の動作点は点「Ａ」に戻る。ＳＳＰＤ１２を流れる電流が臨界電流値以上になり、ＳＳＰＤ１２の動作点は「正常抵抗値領域」と表示した線の上の点「Ｃ」に移る。移動点「Ｃ」で動作する間は、ＳＳＰＤ１２はバイアス電流が臨界電流値以下に低下するまで抵抗状態に留まるので光子検出は不可能になる。なお、動作点「Ｃ」におけるＳＳＰＤ１２の端子電圧は電圧限界値４０７、すなわちこの例で３mVに設定した電圧限界値に制限される。
【００２６】
後述のとおり、単光子検出には吸収光子の数に正比例した検出出力を生ずる必要がある。レーザパルス１個あたり吸収される光子数の平均値がｍである場合は、一つのパルスから光子ｎ個を吸収する確率は次式、すなわち
Ｐ(ｎ)＝ｅ−ｍ(ｍ)ｎ／ｎ！
で与えられる。ｍ<<１であれば、上式はＰ(ｎ)＝ｍｎ／ｎ！となる。図４Ａの装置では、ＳＳＰＤ１２への入射光子の数をレーザパルス１個あたり１個よりもずっと小さい平均値に減らすように減衰器６３を調節することによって、ｍ<<１を達成できる。したがって、光パルス１個あたり光子１個を吸収する確率は
Ｐ(１)＝ｍ
で与えられる。同様に、光パルス１個あたり光子２個を吸収する確率は
Ｐ(２)＝ｍ２／２
で与えられる（Ｐ(２)が超伝導膜上の同一の点で同時に二つの光子を吸収する確率であることはもちろんである。そうでない場合は、二つの光子は二つの単光子としてカウントされる）。同様に、光パルス１個あたり光子３個を吸収する確率は
Ｐ(３)＝ｍ３／６
で与えられる。したがって、ｍ<<１の場合は、パルス１個あたり光子１個を検出する確率はｍに比例し、光子２個を検出する確率はｍ２に比例し、光子３個を検出する確率はｍ３に比例し、以下同様となる。
【００２７】
図５は一つの実験でＳＳＰＤ１２が出力電圧パルスを生ずる確率の変化を示す。図５において、縦軸は単一の光パルスの中でＳＳＰＤ１２が光子を検出する確率を、パルスカウンタ６０により長期間にわたり検出した光パルスの数に基づき表示する。下側の横軸はＳＳＰＤ１２に集束した光パルスの各々の平均エネルギー（フェムトジュール）を示し、上側の横軸は光パルス１個あたり0.2×１μm２（この実験におけるＳＳＰＤ１２の面積）あたりの対応入射光子数計算値を示す。臨界電流ＩＣは実験により約45μAとした。
【００２８】
特性曲線５０１は0.95ＩＣ（すなわち臨界電流値の９５％）にバイアスしたＳＳＰＤ１２に対応する。この曲線５０１は検出確率がパルスあたりの光子数平均値に正比例すること、すなわち単光子検出が行われていることを示す。曲線５０２は0.9ＩＣにバイアスしたＳＳＰＤ１２に対応する、曲線５０２は検出確率がパルスあたりの光子数平均値の２乗に比例すること、すなわち２光子検出が行われていることを示す。ＳＳＰＤ１２のバイアス電流をさらに下げて0.7ＩＣにすると特性曲線は曲線５０３になる。この曲線５０３は検出確率がパルスあたりの光子数の３乗に比例すること、すなわち３光子検出が行われていることを示す。この結果から、ＳＳＰＤ１２のバイアス電流をそのＳＳＰＤの臨界電流値近傍に設定することによって単光子検出が可能になることが分かる。
【００２９】
図６ＡはＳＳＰＤ１２の通常の出力信号の波形を示す。検出された入射光子に対応するパルス８１は背景雑音から容易に識別できる。図６Ｂの拡大図に示すとおり、パルス８１は半値全幅（ＦＷＨＭ）約100ピコ秒を備える。パルス８１の帯域幅はＳＳＰＤ１２でなくデータ捕捉装置の帯域幅で制限される。図６Ａおよび図６Ｂにおいて、縦軸は電圧を任意の単位で示し、横軸は時間をナノ秒単位で示す。この例によるＳＳＰＤは、慣用のデータ取込み手法を用いて容易に読みとれる出力電圧パルスを供給することによって検出プロセスを簡素化する。
【００３０】
検出した光子のエネルギーに関する分光器情報はＳＳＰＤの出力信号の波形の分析によっても得ることができる。光子をＳＳＰＤで吸収しいわゆるクーパー対を破壊するとホットエレクトロンが生ずる。ホットエレクトロンはＳＳＰＤ内の他のクーパー対と衝突し、それによってクーパー対を破壊しホットエレクトロンをさらに生ずる。破壊されたクーパー対の数は入射光子のエネルギーに比例し、出力電圧パルスの波形はホットエレクトロンの数に左右されるので、出力電圧パルスの波形は入射光子のエネルギーに左右される。例えば、ＳＳＰＤ１２の出力電圧パルスを時間の関数として積分し、入射光子エネルギーとパルスの積分値との間の相関を見出すことはできるであろう。
【００３１】
図７は一つの実験においてオッシロスコープ（図４Ａ）で捕捉した波形である。曲線７０１はビームスプリッタ６２からの光パルスの検出時の光検出器６４の出力信号を示す。曲線７０２はデバイス面積当たりおよび光パルス１個あたりの平均100個の入射光子に対応する入射光パルス電力についての増幅ずみＳＳＰＤ１２出力信号を示す。その場合は、ＳＳＰＤ１２が各入射光パルスについて出力電圧パルスを生ずる確率は100％ではない。曲線７０３はデバイス面積あたりおよび光パルスあたりの平均４０個の光子に対応する入射光パルス電力についてのＳＳＰＤ１２の増幅出力信号を示す。同様に、曲線７０４、７０５、７０６、７０７および７０８は、デバイス面積あたり光パルスあたり光子数平均１０個、５個、５個、１個および１個にそれぞれ対応する入射光電力についてのＳＳＰＤ１２の出力信号の増幅値をそれぞれ示す。曲線７０７および７０８はＳＳＰＤ１２が単光子の検出に十分な感度を備えることを示す。また、これら曲線は検出されたパルスが吸収ずみの光子の数に関わりなくほぼ同じ波形と振幅とを備えることを示す。
【００３２】
図８Ａ乃至図８Ｃは光をＳＳＰＤに導く多様な構成の概略図を示す。なお、図８Ａ乃至図８Ｃは概略表示であって縮尺によっていない（例えばＳＳＰＤ１２は実際には基板に比較してほぼ零の厚さを備える）。図８Ａにおいて、入射光ビーム１６は半球レンズ８０３の前方の絞り８０２を通過する。ＳＳＰＤ１２の基板８２３は光路延長部として機能し、半球状レンズ８０３に直接に接着する。光ビーム１６を半球状レンズ８０３および基板８２３経由でＳＳＰＤ上に集束させる。半球状レンズ８０３および基板８２３は、絞り８０２の直径を最大にできるように、同一材料で構成するのが好ましい。また、ＳＳＰＤ１２は超伝導膜が半球状レンズ８０３を延長させて光ビーム１６に直接に向くように（基板８２３の他方の端部で）して取り付けることができる。図８Ｂにおいて、ＳＳＰＤ１２は単一モードまたは多モード光ファイバ８０５からの入射光ビームを受ける。ＳＳＰＤ１２に吸収されなかった光は基板８２３を通過して反射鏡８０６に達し、その反射鏡表面８０７で反射してＳＳＰＤ１２に集束される。図８Ｃにおいて、入射してきた自由伝搬光ビーム１６は反射防止膜８０８、基板８２３、および水晶（または赤外線用のシリコン）放物面鏡８１０を通過する。光ビーム１６は、鏡面仕上げ表面８１１で反射してＳＳＰＤ１２の表面に集束される。
【００３３】
この発明の特定の実施例を上に述べてきたが、これら実施例は例示のためのものであって限定のためのものではない。上記以外の多様な変形がこの発明の範囲内で可能であり、それら変形は当業者には自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】この発明による超伝導単光子検出器（ＳＳＰＤ）を用いた光子カウンタのブロック図。
【図１Ｂ】ＳＳＰＤの平面図。
【図１Ｃ】曲がりくねった形状のＳＳＰＤの平面図。
【図２】図２Ａ乃至図２Ｄは単光子吸収時にＳＳＰＤに生ずる電圧の原因とみられる物理的プロセスの図解。
【図３Ｐ】図３Ａ乃至図３ＬはＳＳＰＤの製造工程を示す断面図。
【図３Ｑ】図３Ａ乃至図３ＬはＳＳＰＤの製造工程を示す断面図。
【図３Ｒ】図３Ａ乃至図３ＬはＳＳＰＤの製造工程を示す断面図。
【図３Ｓ】図３Ａ乃至図３ＬはＳＳＰＤの製造工程を示す断面図。
【図４Ａ】この発明のＳＳＰＤを備える装置のブロック図。
【図４Ｂ】図４Ａに示したＳＳＰＤのためのバイアス装置の詳細図。
【図４Ｃ】温度４.２KelvinにおけるＳＳＰＤの通常の電流対電圧（Ｉ−Ｖ）特性図。
【図５】ＳＳＰＤからの出力パルスの検出確率をパルスあたりの入力光エネルギーの関数として、または図４の装置を用いたデバイスあたりの光子数またはパルスあたりの光子数の関数として示す特性図。
【図６】図６Ａおよび図６Ｂは図４Ａの装置に用いたＳＳＰＤの通常の出力信号の波形図。
【図７】図４Ａの装置に用いたＳＳＰＤの出力信号のオッシロスコープ表示を示す波形図。
【図８】図８Ａ乃至図８Ｃは光線をＳＳＰＤに導く多様な構成の概略図。
【符号の説明】
１０                光子カウンタ
１１                光源
１２、１０１        超伝導単光子検出器（ＳＳＰＤ）
１３                増幅器
１４                データ捕捉システム（ＤＡＱ）
２１、２２、２３    ホットスポット
２４、２５          抵抗性領域
３１                基板
３２                窒化ニオブ（ＮｂＮ）膜
３３                フォトレジストマスク
３４、４３          チタン層
３５、３７、４２    金層
３６、３９          エレクトロンレジストマスク
３８                クロム層
４１                ＳｉＯ２層
４２                コンタクトパッド
【図１Ａ】
0005027965.tif 000002
【図１Ｂ】
0005027965.tif 000003
【図１Ｃ】
0005027965.tif 000004
【図２】
0005027965.tif 000005
【図３Ｐ】
0005027965.tif 000006
【図３Ｑ】
0005027965.tif 000007
【図３Ｒ】
0005027965.tif 000008
【図３Ｓ】
0005027965.tif 000009
【図４Ａ】
0005027965.tif 000010
【図４Ｂ】
0005027965.tif 000011
【図４Ｃ】
0005027965.tif 000012
【図５】
0005027965.tif 000013
【図６】
0005027965.tif 000014
【図７】
0005027965.tif 000015
【図８】
0005027965.tif 000016