超伝導ナノワイヤ単一光子検出器の波長特性を自在に設計する新手法を開発

2016年10月24日



国立研究開発法人情報通信研究機構



超伝導ナノワイヤ単一光子検出器の波長特性を自在に設計する新手法を開発

～検出する光波長の高感度を維持しつつ、究極的な低ノイズ化が可能に～



【ポイント】

■　光子検出器の感度について、所望する波長特性を自由に設計可能な新手法を実証

■　広い波長帯域での高感度や究極的な低ノイズ性を有する光子検出器の実現が可能に

■　量子暗号通信、蛍光相関分光、リモートセンシングなど高精度な光検出技術として期待



　国立研究開発法人情報通信研究機構（NICT、理事長: 坂内 正夫）は、超伝導ナノワイヤ単一光子検出器（SSPD）の波長特性を自在に設計可能な新しい光学構造設計手法の開発に成功しました。

　本技術により、広い波長帯域にわたる高い検出感度や、特定の波長領域をカットするフィルター機能を有するSSPDの設計・開発が可能となります。今回の成果は、検出する光波長に対して高感度を維持しつつ、不要な波長の光をカットすることで究極的な低ノイズを実現することが可能となり、量子暗号通信や蛍光相関分光をはじめとする幅広い分野での実用化に向けて大きなブレークスルーとなるものです。

　本研究成果は、10月24日（月）付け（日本時間18:00）の英国科学誌Scientific Reportsに掲載されます。

　なお、本成果の一部は、JST先端計測分析技術・機器開発プログラム及び平成27年度から日本医療研究開発機構（AMED）が実施する医療分野研究成果展開事業先端計測分析技術・機器開発プログラムの一環として得られたものです。



【背景】

　現在、量子情報通信や量子光学、生命科学など幅広い分野で高精度な光子検出器に対するニーズが高まっています。高感度・低ノイズ・高時間分解能という優れた特長を持つ超伝導ナノワイヤ単一光子検出器（SSPD）は、従来用いられてきた半導体光子検出器（アバランシェ・フォトダイオード）の性能を大きく凌駕する光子検出器として、量子暗号通信をはじめとする様々な分野で注目を集めています。

　これまでNICTは、2013年に通信波長帯（1,550 nm）でシステム検出効率80%を超えるSSPDの開発に成功し、量子暗号通信への応用を進めてきたほか、可視波長帯でもシステム検出効率70%を超えるSSPDを実現し、細胞生物学で広く利用されている蛍光相関分光法への応用を進めてきました。しかし、従来のデバイス構造では、最適化した波長以外における光吸収効率を制御することはできず、広い波長範囲にわたる高いシステム検出効率の実現や、不要な波長の光（主に、黒体輻射による光や迷光）の吸収による暗計数（ノイズ）の除去が困難でした。

　そこで、今後、SSPDの応用分野を更に拡大するためには、検出する光波長に対して、より設計自由度の高い、新たな光学構造の設計手法の開発が強く求められていました。



【今回の成果】

　今回、SSPDにNICTが独自に考案した誘電体多層膜を用いたデバイス構造を採用し、光学シミュレーションによる最適化を行うことで、所望する光吸収効率の波長特性、つまり、吸収する波長帯域とカットする波長帯域を自由に設計が可能な新手法の開発と実証に成功しました。

　SSPDの検出感度は光吸収効率に比例するため、所望の波長における光吸収効率を最適化することが重要となります。従来SSPDで用いられていた光キャビティ構造では、キャビティ層の膜厚を調整することにより、ターゲットとなる波長に対して光吸収効率を最大化することはできましたが、周辺の波長に対する特性を制御することはできず、不要な波長をカットすることでノイズを低減することは困難でした。

　今回、SSPDに新たに誘電体多層膜による光学構造を採用することにより、所望の波長特性の設計が可能になりました。シリコン基板上に2種類の誘電体（二酸化シリコン及び二酸化チタン）から構成される多層膜を積層し、その上に超伝導体である窒化ニオブのナノワイヤを配置した構造を採用しました。この構造において誘電体多層膜の層数や各レイヤーの膜厚を最適化することで、ナノワイヤの光吸収効率について所望の波長特性を実現することができます。最適化したデザインに基づいて実際にSSPDを作製し、検出効率の波長特性を評価した結果、光学シミュレーションによる計算値と極めてよく一致することが分かり、開発した手法の有効性が実証されました。これにより、広い波長範囲にわたる高検出効率化や、不要な波長のカットによる低ノイズ化が可能となります。

　また、ナノワイヤにおける光吸収効率の波長特性を最適化するため、光学多層膜計算と有限要素解析の2段階で光学シミュレーションを行い、SSPDにおける検出効率の波長特性が効率的に設計できるようになりました。

　NICTが研究の立案から素子の設計・作製、評価・解析を行い、本成果に至りました。また、素子評価の一部に関しては、大阪大学及びNICTインターンシップ制度を通じたグラスゴー大学（英国）の協力を得ました。



【今後の展望】

　今回開発した誘電体多層膜付きSSPDと波長特性設計手法は、紫外から中赤外の広い波長領域で適用可能であるため、高感度と低ノイズの両立が重要となる量子暗号通信や、生命科学分野における蛍光分光測定、微弱光によるリモートセンシング技術など、今後のSSPDの幅広い応用展開に向けた重要な基盤技術となります。また今後、多層膜に用いる誘電体の材料や組合せを検討することで、より広帯域に対応した素子や、複数の波長領域に最適化した素子等、応用ニーズに合わせて様々な波長特性を持つSSPDの実現が期待されます。