JP5470654B2 - Mounting method of superconducting single photon detector - Google Patents
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Description
本発明は、超伝導単一光子検出器（Superconducting Single Photon Detector；以下、「ＳＳＰＤ」と略す場合がある）およびＳＳＰＤの実装方法に関する。特に、本発明は、窒化ニオブ（ＮｂＮ）からなる超伝導状態の窒化ニオブ配線（以下、「ナノワイヤ」と略す場合がある）を用いたＳＳＰＤの改良に関する。 The present invention relates to a superconducting single photon detector (hereinafter sometimes abbreviated as “SSPD”) and an SSPD mounting method. In particular, the present invention relates to an improvement in SSPD using a niobium nitride wiring in a superconducting state made of niobium nitride (NbN) (hereinafter sometimes abbreviated as “nanowire”).
光子を１個ずつ検出できる超伝導単一光子検出素子を閉サイクル冷凍機に組み込み、ＳＳＰＤシステムを構成すると、多チャンネル化（例えば、６個のＳＳＰＤによる６チャンネル化）、安定動作、連続動作を実現できる。
このため、このようなＳＳＰＤシステムについて、様々な応用分野への有用性が認知されつつある。例えば、盗聴を不可能にする量子暗号通信などの量子通信分野への利用が期待されている。
When a superconducting single photon detection element that can detect photons one by one is incorporated in a closed cycle refrigerator and an SSPD system is configured, multi-channeling (for example, 6 channels using 6 SSPDs), stable operation, and continuous operation are possible. realizable.
For this reason, the usefulness of such an SSPD system in various application fields is being recognized. For example, it is expected to be used in the field of quantum communication such as quantum cryptography communication that makes wiretapping impossible.
そこで、超伝導単一光子検出素子の一例として、単一の窒化ニオブ層が酸化マグネシウム基板（以下、「ＭｇＯ基板」という）上に形成された単層構造の検出素子（以下、「単層構造素子」と略す）がすでに開発されている。 Therefore, as an example of a superconducting single photon detection element, a single layer structure detection element (hereinafter referred to as “single layer structure”) in which a single niobium nitride layer is formed on a magnesium oxide substrate (hereinafter referred to as “MgO substrate”). (Abbreviated as “element”) has already been developed.
この単層構造出素子では、窒化ニオブ層からなるメアンダ状（蛇行形状）のナノワイヤが、ＭｇＯ基板の表面に形成されている。
これにより、ＭｇＯ基板の表面に向けて光を入射できる。よって、単層構造素子は、光ファイバから出射された光とナノワイヤ素子との高光カップリングを容易に実現でき、光子との光カップリング性に優れている。
In this single-layer structure output element, meandering (meandering) nanowires made of a niobium nitride layer are formed on the surface of the MgO substrate.
Thereby, light can be incident on the surface of the MgO substrate. Therefore, the single-layer structure element can easily realize high optical coupling between the light emitted from the optical fiber and the nanowire element, and is excellent in optical coupling with photons.
しかし、単層構造素子では、光吸収効率が、ナノワイヤでの光反射および光透過特性によって制約されるといった欠点がある。つまり、薄膜（厚み６ｎｍ程度）のナノワイヤにおいて光の反射や透過が生じて、ナノワイヤによる光吸収性が芳しくなく（光吸収効率が最大でも３０％程度と予測される）、ひいては、単層構造素子を用いたＳＳＰＤのシステム検出効率の低下を招いている。 However, the single layer structure element has a drawback that the light absorption efficiency is limited by the light reflection and light transmission characteristics of the nanowire. That is, light is reflected and transmitted in the nanowire of a thin film (thickness of about 6 nm), and the light absorption by the nanowire is not good (light absorption efficiency is predicted to be about 30% at the maximum). This leads to a decrease in the system detection efficiency of SSPD using the.
なお、本明細書において、「システム検出効率」とは、ＳＳＰＤのシステムとしての検出効率を指し、光子検出システムに単一光子を入れる際の、当該光子を検出できる確率を指す。具体的には、システム検出効率Ｒは、下記式（１）で表される。 In this specification, “system detection efficiency” refers to the detection efficiency of the SSPD system, and refers to the probability that the photon can be detected when a single photon is inserted into the photon detection system. Specifically, the system detection efficiency R is represented by the following formula (1).
Ｒ＝Ｐｃ×Ｐａ×Ｐｄ・・・（１）
式（１）において、「Ｐｃ」は、光子がナノワイヤとカップリングできる割合に対応する光カップリング効率（光結合効率）である。「Ｐａ」は、ナノワイヤでの光子吸収割合に対応する光吸収効率である。また、「Ｐｄ」は、光子が受光素子に入射した際に信号が発生する割合に対応する素子検出効率である。
R = Pc × Pa × Pd (1)
In the formula (1), “Pc” is an optical coupling efficiency (optical coupling efficiency) corresponding to a rate at which photons can be coupled with nanowires. “Pa” is the light absorption efficiency corresponding to the photon absorption ratio in the nanowire. Further, “Pd” is an element detection efficiency corresponding to a rate at which a signal is generated when a photon enters the light receiving element.
そこで、以上のシステム検出効率Ｒの改善を図る目的で、単層構造素子に代えて、積層構造（光キャビティ構造）の超伝導単一光子検出素子（以下、「従来の積層構造素子」と略す）が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。 Therefore, for the purpose of improving the system detection efficiency R described above, a superconducting single photon detecting element (hereinafter referred to as “conventional laminated structure element”) having a laminated structure (optical cavity structure) is used instead of the single layer structured element. ) Has been proposed (see Non-Patent Document 1, for example).
この従来の積層構造素子では、サファイア基板の表面側に、窒化ニオブ層（後工程においてメアンダ状のナノワイヤに微細加工）、誘電体キャビティ層（例えば、水素シルセスキオキサン（ＨＱＳ）からなるキャビティ層）および反射層（例えばＡｕ（金）層）が配されている。 In this conventional multilayer structure element, a niobium nitride layer (microfabrication into a meander-like nanowire in a later process) and a dielectric cavity layer (for example, a cavity layer made of hydrogen silsesquioxane (HQS) are formed on the surface side of the sapphire substrate. ) And a reflective layer (for example, an Au (gold) layer).
以上の構成により、キャビティ層内に光子を閉じ込めることができるので、単層構造素子に比べて吸収効率Ｐａが改善する。 With the above configuration, since photons can be confined in the cavity layer, the absorption efficiency Pa is improved as compared with the single-layer structure element.
しかし、従来の積層構造素子では、受光素子を構成するナノワイヤが形成されたサファイア基板の表面と反対の裏面側から光を照射する必要がある。よって、受光面積の小さなナノワイヤ素子に入射光を集光させることが難しく、光子との光カップリング性において難点がある。 However, in the conventional laminated structure element, it is necessary to irradiate light from the back side opposite to the surface of the sapphire substrate on which the nanowires constituting the light receiving element are formed. Therefore, it is difficult to collect incident light on a nanowire element having a small light receiving area, and there is a difficulty in optical coupling with photons.
このため、従来の積層構造素子では、光カップリング効率Ｐｃが、単層構造素子に比べて悪化して、却って、システム検出効率Ｒの向上が図れないことがある。特に、素子の受光面積を小さくする程、素子検出効率Ｐｄを改善できることが知られているにもかかわらず、従来の積層構造素子では、受光面積がファイバコアの面積よりも小さい場合、光カップリング性の悪化が避けられないという問題がある。 For this reason, in the conventional multilayer structure element, the optical coupling efficiency Pc is deteriorated as compared with the single layer structure element, and on the contrary, the system detection efficiency R may not be improved. In particular, it is known that the element detection efficiency Pd can be improved as the light receiving area of the element is reduced. However, in the conventional laminated structure element, when the light receiving area is smaller than the area of the fiber core, the optical coupling is performed. There is a problem that sexual deterioration is inevitable.
例えば、ＭｇＯ基板の機械強度を考慮すると、ＭｇＯ基板の研磨限界は、厚みで４０μｍ〜５０μｍ程度となると考えられる。よって、基板の厚みが５０μｍの場合、ファイバコア径が約９μｍの光ファイバからの出射光の、基板表面でのスポット径は、ガウシアン近似により１５μｍ程度と見積もれる。このため、このスポット径（１５μｍ程度）よりも小さな積層構造の受光素子については、高効率光結合を実現できない。 For example, considering the mechanical strength of the MgO substrate, the polishing limit of the MgO substrate is considered to be about 40 μm to 50 μm in thickness. Therefore, when the thickness of the substrate is 50 μm, the spot diameter of the light emitted from the optical fiber having a fiber core diameter of about 9 μm on the substrate surface is estimated to be about 15 μm by Gaussian approximation. For this reason, high efficiency optical coupling cannot be realized for a light receiving element having a laminated structure smaller than the spot diameter (about 15 μm).
以上のとおり、単層構造素子および従来の積層構造素子の何れにも、システム検出効率Ｒの向上において一長一短があり、未だ、ＳＳＰＤのシステム検出効率Ｒは改善の余地が充分にあると考えられる。 As described above, both the single layer structure element and the conventional multilayer structure element have advantages and disadvantages in improving the system detection efficiency R, and it is considered that there is still room for improvement in the system detection efficiency R of the SSPD.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、積層構造の受光素子のサイズに適合して高効率光結合を実現できる超伝導単一光子検出器を提供することを目的とする。
また、本発明は、このような超伝導単一光子検出器の実装方法を提供することも目的とする。
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a superconducting single-photon detector that can realize high-efficiency optical coupling in conformity with the size of a light-receiving element having a laminated structure. .
Another object of the present invention is to provide a method for mounting such a superconducting single photon detector.
上記課題を解決するため、本発明は、酸化マグネシウムからなる基板と、前記基板の表面に形成された窒化ニオブ配線と、前記窒化ニオブ配線上に形成されたキャビティ層と、前記キャビティ層上に形成された反射層と、前記基板の裏面に形成された反射防止層と、を有する超伝導単一光子検出素子と、
光ファイバと、前記光ファイバの先端に調芯融着されたレンズと、を有する光伝送手段と、
を備え、
前記窒化ニオブ配線は、所定のバイアス電流が流れるよう、伝送線路を介してバイアス源に接続されて、超伝導状態において使用され、
前記窒化ニオブ配線に光子が入射した際の前記窒化ニオブ配線の抵抗変化に基づいて、前記光子が、前記超伝導単一光子検出素子において１個ずつ検出され、
前記レンズからの出射光が、前記窒化ニオブ配線において所定のビームウェスト直径となるよう、前記レンズの先端から前記窒化ニオブ配線までの距離が調整されている、超伝導単一光子検出器を提供する。
In order to solve the above problems, the present invention provides a substrate made of magnesium oxide, a niobium nitride wiring formed on the surface of the substrate, a cavity layer formed on the niobium nitride wiring, and formed on the cavity layer A superconducting single-photon detection element having a reflection layer formed thereon and an antireflection layer formed on the back surface of the substrate;
An optical transmission means having an optical fiber and a lens that is aligned and fused to the tip of the optical fiber;
With
The niobium nitride wiring is used in a superconducting state, connected to a bias source via a transmission line so that a predetermined bias current flows.
Based on the resistance change of the niobium nitride wiring when the photon is incident on the niobium nitride wiring, the photons are detected one by one in the superconducting single photon detection element,
Provided is a superconducting single-photon detector in which the distance from the front end of the lens to the niobium nitride wiring is adjusted so that the emitted light from the lens has a predetermined beam waist diameter in the niobium nitride wiring. .
これにより、本発明の超伝導単一光子検出器では、受光素子のサイズに適合した高効率光結合を実現できる。このため、小面積（例えば、５×５μｍ角）から大面積（例えば、１５×１５μｍ角）に亘る様々なサイズの受光素子を用いても、超伝導単一光子検出器を、そのシステム検出効率が、従来の超伝導単一光子検出器のそれよりも向上するように構成できる。 Thereby, in the superconducting single photon detector of the present invention, high-efficiency optical coupling suitable for the size of the light receiving element can be realized. For this reason, even if light receiving elements having various sizes ranging from a small area (for example, 5 × 5 μm square) to a large area (for example, 15 × 15 μm square) are used, the superconducting single-photon detector has a system detection efficiency. However, it can be configured to improve over that of a conventional superconducting single photon detector.
また、本発明の超伝導単一光子検出器では、前記距離の調整の一例として、前記基板の裏面を削るとよい。 In the superconducting single photon detector of the present invention, the back surface of the substrate may be scraped as an example of the adjustment of the distance.
これにより、マザー基板の厚み（例えば、４００μｍ）を容易に変更できるので、超伝導単一光子検出器の用途に合わせて、レンズの先端から受光素子までの距離を適宜、調整できる。 Thereby, since the thickness (for example, 400 micrometers) of a mother board | substrate can be changed easily, the distance from the front-end | tip of a lens to a light receiving element can be adjusted suitably according to the use of a superconducting single photon detector.
また、本発明は、上記記載の超伝導単一光子検出素子と上記記載の光伝送手段とを、パーケージブロックに実装する超伝導単一光子検出器の実装方法であって、
前記パーケージブロックに形成された貫通孔にダミー基板を被せることにより、前記ダミー基板上に密着されたクリアランス調整部材を前記貫通孔内に配する工程と、
前記貫通孔内に前記光伝送手段を挿入することにより、前記光伝送手段のレンズの先端を前記クリアランス調整部材に当接させる工程と、
前記ダミー基板を除去して、前記超伝導単一光子検出素子の基板の反射防止層が前記レンズの先端と対置するよう、前記超伝導単一光子検出素子を前記貫通孔に被せる工程と、を含む超伝導単一光子検出器の実装方法を提供する。
Further, the present invention is a mounting method of a superconducting single photon detector in which the superconducting single photon detection element described above and the above optical transmission means are mounted on a package block,
Disposing a clearance adjustment member in close contact with the dummy substrate in the through hole by covering the through hole formed in the package block with a dummy substrate;
Inserting the optical transmission means into the through hole to bring the lens tip of the optical transmission means into contact with the clearance adjustment member;
Removing the dummy substrate, and covering the through hole with the superconducting single photon detection element such that the antireflection layer of the substrate of the superconducting single photon detection element faces the tip of the lens. A method of mounting a superconducting single photon detector is provided.
以上の超伝導単一光子検出器の実装方法により、光伝送手段の先端と超伝導単一光子検出素子の基板（反射防止層）との間の距離に相当するクリアランスが適量に調整でき、ひいては、レンズの先端から窒化ニオブ配線までの距離を適切に設定できる。 With the above superconducting single-photon detector mounting method, the clearance corresponding to the distance between the tip of the optical transmission means and the substrate (antireflection layer) of the superconducting single-photon detection element can be adjusted to an appropriate amount. The distance from the lens tip to the niobium nitride wiring can be set appropriately.
また、以上のパッケージング方式の実装方法により、ＳＳＰＤをコンパクトに構成できる。よって、このＳＳＰＤは、量子暗号通信などの量子通信分野への利用を考慮した場合の多チャンネル化においてコスト対応力に優れる。 Further, the SSPD can be configured in a compact manner by the packaging method mounting method described above. Therefore, this SSPD is excellent in cost responsiveness in multi-channeling when considering use in the quantum communication field such as quantum cryptography communication.
また、本発明の超伝導単一光子検出器の実装方法では、前記レンズの先端が前記クリアランス調整部材に当接した状態で、前記光伝送手段を前記パーケージブロックに樹脂材料を用いて固定する工程を更に含んでもよい。 In the method of mounting a superconducting single photon detector according to the present invention, the step of fixing the optical transmission means to the package block using a resin material in a state where the tip of the lens is in contact with the clearance adjusting member. May further be included.
これにより、光伝送手段が適切に固定され、上記クリアランスが適量に維持される。 Thereby, the optical transmission means is appropriately fixed, and the clearance is maintained at an appropriate amount.
また、本発明の超伝導単一光子検出器の実装方法では、前記超伝導単一光子検出素子を前記貫通孔に被せた後、前記超伝導単一光子検出素子を前記パーケージブロックに極低温用接着剤(例:エレクトロンワックス)を用いて固定する工程を更に含んでもよい。 In the superconducting single photon detector mounting method of the present invention, the superconducting single photon detection element is put on the package block after the superconducting single photon detection element is put on the through hole. You may further include the process of fixing using an adhesive agent (for example, electron wax).
以上の極低温用接着剤(例:エレクトロンワックス)により、超伝導単一光子検出素子が、パーケージブロックに適切に固定され、上記クリアランスが適量に維持される。また、超伝導単一光子検出素子とパーケージブロックとの間の熱伝導性が極低温用接着剤(例:エレクトロンワックス)を用いて適切に向上する。 With the above cryogenic adhesive (eg, electron wax), the superconducting single photon detection element is appropriately fixed to the package block, and the clearance is maintained at an appropriate amount. Further, the thermal conductivity between the superconducting single photon detecting element and the package block is appropriately improved by using a cryogenic adhesive (eg, electron wax).
本発明によれば、積層構造の受光素子のサイズに適合して高効率光結合を実現できる超伝導単一光子検出器が得られる。 According to the present invention, it is possible to obtain a superconducting single photon detector that can realize high-efficiency optical coupling in conformity with the size of a light receiving element having a laminated structure.
また、このような超伝導単一光子検出器の実装方法も得られる。 Also, a method for mounting such a superconducting single photon detector can be obtained.
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
なお、全ての図面を通じて、同一ないし相当する構成要素には同じ参照番号を付し、以下、このような構成要素の重複的記載を省略する場合がある。 Throughout the drawings, the same or corresponding components are denoted by the same reference numerals, and redundant description of such components may be omitted hereinafter.
また、本発明は、以下の実施形態に限定されない。つまり、以下の具体的な説明は、本発明の「超伝導単一光子検出器」の特徴を例示しているに過ぎない。よって、本発明の「超伝導単一光子検出器」を特定した構成要素に対応する用語に適宜の参照符号を付して以下の具体例を説明する場合、当該具体的な装置は、これに対応する本発明の「超伝導単一光子検出器」の構成要素の一例である。 Further, the present invention is not limited to the following embodiment. That is, the following specific description merely illustrates the features of the “superconducting single photon detector” of the present invention. Therefore, when the following specific examples are described with appropriate reference numerals attached to the terms corresponding to the components specifying the “superconductive single photon detector” of the present invention, the specific apparatus is It is an example of the component of the "superconducting single photon detector" of corresponding this invention.
例えば、以下に述べる「屈折率分布型のマイクロレンズ７５」は、本発明の構成要素である「レンズ」の一例に過ぎない。
（実施形態）
図１は、本発明の実施形態のＳＳＰＤに用いる超伝導単一光子検出素子の一構成例を模式的に示した図である。図１（ａ）は、超伝導単一光子検出素子の受光素子周辺を上方から平面視した図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った部分の断面を示した断面図である。
For example, a “refractive index distribution type microlens 75” described below is merely an example of a “lens” that is a component of the present invention.
(Embodiment)
FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a configuration example of a superconducting single photon detection element used in an SSPD according to an embodiment of the present invention. FIG. 1A is a plan view of the periphery of a light receiving element of a superconducting single photon detecting element from above, and FIG. 1B is a diagram of a portion along the line BB in FIG. It is sectional drawing which showed the cross section.
図１に示すように、超伝導単一光子検出素子１００は、光子Ｐが酸化マグネシウム（ＭｇＯ）単結晶基板１０（以下、「ＭｇＯ基板１０」と略す）の裏面側から入射する裏面入射式の光キャビティ構造を備える。 As shown in FIG. 1, a superconducting single photon detection element 100 is of a back-illuminated type in which photons P are incident from the back side of a magnesium oxide (MgO) single crystal substrate 10 (hereinafter abbreviated as “MgO substrate 10”). An optical cavity structure is provided.
まず、超伝導単一光子検出素子１００の受光素子Ｓの平面構造について述べる。 First, the planar structure of the light receiving element S of the superconducting single photon detecting element 100 will be described.
超伝導単一光子検出素子１００の受光素子Ｓは、平面視においては、図１（ａ）に示すように、メアンダ状（蛇行形状）のナノワイヤ１３を備える。このナノワイヤ１３は、例えば、数十〜数百ナノメートル線幅で所定のピッチに形成され、適宜の冷却手段（例えば、ＧＭ型冷凍機）を用いて超伝導状態で使用される。
ここで、受光素子Ｓを平面視したサイズは、超伝導単一光子検出素子１００の使用目的に合わせて決めるとよい。例えば、素子検出効率Ｐｄを上げるには、受光素子Ｓのサイズを小面積（例えば、５×５μｍ角）にするとよい。一方、受光素子Ｓのアレイ化によって受光素子Ｓに付加機構（例えば、光子Ｐの個数の識別機能）を追加するには、受光素子Ｓのサイズを大面積（例えば、１５×１５μｍ角）にするとよい。
そこで、本実施形態のＳＳＰＤ２００（図４（ｄ）参照）は、小面積から大面積までの様々なサイズの受光素子Ｓに適合して高効率光結合を実現できることを特徴としているが、その詳細は後述する。
The light receiving element S of the superconducting single photon detecting element 100 includes meandering (meandering) nanowires 13 in a plan view, as shown in FIG. For example, the nanowires 13 are formed in a predetermined pitch with a line width of several tens to several hundreds of nanometers, and are used in a superconducting state using appropriate cooling means (for example, a GM refrigerator).
Here, the size of the light receiving element S in plan view may be determined according to the purpose of use of the superconducting single photon detecting element 100. For example, in order to increase the element detection efficiency Pd, the size of the light receiving element S may be set to a small area (for example, 5 × 5 μm square). On the other hand, in order to add an additional mechanism (for example, a function for identifying the number of photons P) to the light receiving element S by arraying the light receiving elements S, the size of the light receiving element S is set to a large area (for example, 15 × 15 μm square). Good.
Therefore, the SSPD 200 of this embodiment (see FIG. 4D) is characterized in that it can realize high-efficiency optical coupling in conformity to the light receiving elements S of various sizes from a small area to a large area. Will be described later.
なお、このナノワイヤ１３は、数ナノメートル（ここでは、６ｎｍ）の厚みの窒化ニオブ層１３Ａを、電子線などを用いてパターニングすることにより製作することができる。 The nanowire 13 can be manufactured by patterning a niobium nitride layer 13A having a thickness of several nanometers (here, 6 nm) using an electron beam or the like.
また、ナノワイヤ１３は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、略Ｕ次状の伝送経路１５（厚み：１５０ｎｍ）と矩形状の伝送経路１５（厚み：１５０ｎｍ）とに接続されている。そして、ナノワイヤ１３は、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１５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。このように、伝送経路１５は、ナノワイヤ１３にバイアス電流を流す経路として機能している。 Further, the nanowire 13 is connected to a substantially U-order transmission path 15 (thickness: 150 nm) and a rectangular transmission path 15 (thickness: 150 nm) as shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b). Has been. The nanowire 13 is connected to an output terminal of a bias source (not shown) via the transmission path 15 so that a desired bias current slightly lower than the critical current flows. As described above, the transmission path 15 functions as a path for supplying a bias current to the nanowire 13.
なお、この伝送経路１５は、窒化ニオブ層１３Ａとの接触面で超伝導単一光子検出素子１００が破壊され難くする目的で、窒化ニオブ層１３Ａと同じ材料により構成するとよい。 The transmission path 15 may be made of the same material as the niobium nitride layer 13A for the purpose of making it difficult for the superconducting single photon detection element 100 to be destroyed at the contact surface with the niobium nitride layer 13A.
次に、超伝導単一光子検出素子１００の受光素子Ｓの積層構造について述べる。 Next, the laminated structure of the light receiving element S of the superconducting single photon detecting element 100 will be described.
超伝導単一光子検出素子１００は、断面視においては、図１（ｂ）に示すように、ＭｇＯ基板１０と、ＭｇＯ基板１０の表面に設けられた積層体１０１と、ＭｇＯ基板１０の裏面に形成された反射防止層１４と、を備える。つまり、受光素子Ｓは、この積層体１０１によって構成されている。 As shown in FIG. 1B, the superconducting single-photon detection element 100 has a MgO substrate 10, a laminate 101 provided on the surface of the MgO substrate 10, and a back surface of the MgO substrate 10 in a cross-sectional view. And an antireflection layer 14 formed. That is, the light receiving element S is constituted by the stacked body 101.
なお、本実施形態では、ＭｇＯ基板１０の厚みＬ１は、例えば、４００μｍ程度のマザー基板の裏面を研磨ことにより、ＭｇＯ基板１０の機械強度から導かれる研磨限界（例えば、４０μｍ〜５０μｍ）まで適宜、設定できる。ＭｇＯ基板１０を平面視したサイズは、例えば、３ｍｍ角程度にするとよい。 In the present embodiment, the thickness L1 of the MgO substrate 10 is appropriately set to a polishing limit (for example, 40 μm to 50 μm) derived from the mechanical strength of the MgO substrate 10 by polishing the back surface of the mother substrate of about 400 μm, for example. Can be set. The size of the MgO substrate 10 in plan view is preferably about 3 mm square, for example.
積層体１０１は、図１（ｂ）に示すように、ＭｇＯ基板１０上に堆積されたベタ状の窒化ニオブ層１３Ａがパターニングされてなるナノワイヤ１３（窒化ニオブ配線）と、このナノワイヤ１３を覆うように形成されたキャビティ層１２と、キャビティ層１２上に形成された反射層１１と、を備える。 As shown in FIG. 1B, the stacked body 101 covers a nanowire 13 (niobium nitride wiring) formed by patterning a solid niobium nitride layer 13 </ b> A deposited on the MgO substrate 10 and covers the nanowire 13. And a reflective layer 11 formed on the cavity layer 12.
積層体１０１の反射層１１は、ここでは、厚みが約１２０ｎｍの金属製（例えば、金（Ａｕ））の薄膜反射ミラーである。但し、反射層１１として、反射率に優れた部材であれば、他の部材（例えば、銀（Ａｇ）の薄膜反射ミラー）を用いてもよい。 Here, the reflective layer 11 of the stacked body 101 is a thin film reflective mirror made of metal (for example, gold (Au)) having a thickness of about 120 nm. However, other members (for example, a silver (Ag) thin film reflecting mirror) may be used as the reflecting layer 11 as long as the member has an excellent reflectance.
積層体１０１のキャビティ層１２は、ここでは、一酸化珪素（ＳｉＯ）からなり、厚みが約２５０ｎｍに設定された光共振器として機能する層である。但し、キャビティ層１２として、他の誘電体材料（例えば、二酸化珪素）を用いてもよい。 Here, the cavity layer 12 of the multilayer body 101 is a layer made of silicon monoxide (SiO) and functioning as an optical resonator having a thickness of about 250 nm. However, another dielectric material (for example, silicon dioxide) may be used as the cavity layer 12.
以上の反射層１１およびキャビティ層１２によって、ＭｇＯ基板１０の裏面から受光素子Ｓに入射した光子Ｐはキャビティ層１２内に適切に閉じ込められる。 By the reflective layer 11 and the cavity layer 12 described above, the photons P incident on the light receiving element S from the back surface of the MgO substrate 10 are appropriately confined in the cavity layer 12.
また、反射防止層１４は、ここでは、アモルファスフッ素樹脂（旭硝子社製、製品名「サイトップ」（登録商標））からなり、厚みが約２００〜３００ｎｍに設定され、受光素子Ｓ内に光子Ｐが入る際の反射を防止する無反射コート層である。 Here, the antireflection layer 14 is made of an amorphous fluororesin (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., product name “Cytop” (registered trademark)), has a thickness of about 200 to 300 nm, and has a photon P in the light receiving element S. It is a non-reflective coating layer that prevents reflection when entering.
次に、超伝導単一光子検出素子１００の受光素子Ｓにおける光子Ｐの検出法について概説する。 Next, a method for detecting the photon P in the light receiving element S of the superconducting single photon detecting element 100 will be outlined.
図２は、本発明の実施形態のＳＳＰＤに用いる超伝導単一光子検出素子による光子検出法を示した模式図である。 FIG. 2 is a schematic diagram showing a photon detection method using a superconducting single photon detection element used in the SSPD of the embodiment of the present invention.
図２に示すように、ナノワイヤ１３に光子Ｐ（シングルフォトン）が入射すると、光子Ｐ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Ａ（高抵抗領域）が発生する。この場合、図２の拡大図に示すように、電流Ｃは、高抵抗の領域Ａを迂回するように領域Ａの両側のナノワイヤ１３の部分に集中的に流れる。すると、領域Ａの周囲を流れる電流Ｃは臨界電流を超え、領域Ａの両側の部分も常伝導状態になり、常伝導状態の領域Ａは、ナノワイヤ１３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Ａの発生および常伝導領域Ａの超伝導状態への回復過程におけるナノワイヤ１３の幅方向全域に亘る抵抗変化に基づいて、ナノワイヤ１３に入った光子Ｐ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１５から外部に取り出される。 As shown in FIG. 2, when a photon P (single photon) is incident on the nanowire 13, it exceeds the cap energy at the location where the photon P is incident, and as a result, a normal conduction region A (high resistance region) called a hot spot. Occurs. In this case, as shown in the enlarged view of FIG. 2, the current C flows intensively through the nanowires 13 on both sides of the region A so as to bypass the high resistance region A. Then, the current C flowing around the region A exceeds the critical current, the portions on both sides of the region A are also in the normal conduction state, and the region A in the normal conduction state temporarily extends over the entire width direction of the nanowire 13. spread. In this way, based on the change in resistance across the entire width of the nanowire 13 in the process of generating the normal conduction region A and restoring the normal conduction region A to the superconducting state, And the voltage signal is taken out from the transmission path 15 to the outside.
なお、以上のナノワイヤ１３を臨界電流近傍にバイアスすることにより、光子Ｐを１個ずつ検出できる超伝導単一光子検出素子の検出法自体は公知である（例えば、公知文献としての「IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL.11, NO.1, MARCH 2001 P574-577」参照）。よって、この検出法の詳細な説明は省略する。 Note that a detection method of a superconducting single photon detection element that can detect the photons P one by one by biasing the nanowire 13 in the vicinity of the critical current is known (for example, “IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL.11, NO.1, MARCH 2001 P574-577 ”). Therefore, detailed description of this detection method is omitted.
また、本実施形態の超伝導単一光子検出素子１００では、ナノワイヤ１３をメアンダ状に形成しているが、メアンダタイプのナノワイヤについても、上述の公知文献や上述の非特許文献１に記載されている。よって、メアンダ構造のナノワイヤの詳細な説明についても省略する。 Further, in the superconducting single photon detection element 100 of the present embodiment, the nanowire 13 is formed in a meander shape, but the meander type nanowire is also described in the above-mentioned publicly known document and the above-mentioned non-patent document 1. Yes. Therefore, detailed description of the meandered nanowire is also omitted.
次に、本実施形態の超伝導単一光子検出素子１００の製法について説明する。 Next, a manufacturing method of the superconducting single photon detection element 100 of this embodiment will be described.
図３は、本発明の実施形態のＳＳＰＤに用いる超伝導単一光子検出素子の製造方法の各工程を示した断面図である。 FIG. 3 is a cross-sectional view showing each step of a method for manufacturing a superconducting single photon detecting element used in the SSPD of the embodiment of the present invention.
但し、図３では、超伝導単一光子検出素子１００の構成要件の一部（例えば、伝送経路１５や反射防止層１４など）の図示が省略されている。 However, in FIG. 3, some of the constituent elements of the superconducting single photon detection element 100 (for example, the transmission path 15 and the antireflection layer 14) are not shown.
まず、単結晶の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなり、厚みが約４００μｍのマザー基板１０Ａ（以下、「ＭｇＯ基板１０Ａ」と略す）の表面（おもて面）上に、ベタ状の窒化ニオブ層１３Ａが、Ｎｂ（ニオブ）ターゲットを用いた直流反応性スパッタリングによりエピタキシャル成膜される。この場合、放電ガスにアルゴンガスを使用し、反応ガスに窒素ガスを使用するとよい。 First, a solid niobium nitride layer 13A on a surface (front surface) of a mother substrate 10A (hereinafter abbreviated as “MgO substrate 10A”) made of single crystal magnesium oxide (MgO) and having a thickness of about 400 μm. Is epitaxially deposited by direct current reactive sputtering using an Nb (niobium) target. In this case, argon gas may be used as the discharge gas, and nitrogen gas may be used as the reaction gas.
次に、窒化ニオブ層１３Ａを、電子線リソグラフィなどを活用した微細加工技術を用いてパターニングすると、図３（ａ）に示すように、ナノワイヤ１３を形成することができる。 Next, when the niobium nitride layer 13A is patterned using a fine processing technique utilizing electron beam lithography or the like, the nanowire 13 can be formed as shown in FIG.
次いで、図３（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、キャビティ層１２を堆積するための窓１０３が、フォトレジスト１０２に形成される。 Next, as shown in FIG. 3B, a window 103 for depositing the cavity layer 12 is formed in the photoresist 102 by using a photolithography technique.
そして、図３（ｃ）に示すように、一酸化珪素（ＳｉＯ）からなる厚みが約２５０ｎｍのキャビティ層１２が、フォトレジスト１０２の窓１０３内において、ナノワイヤ１３を覆うよう、真空蒸着によりＭｇＯ基板１０Ａ上に成膜される。 Then, as shown in FIG. 3C, the MgO substrate is formed by vacuum deposition so that the cavity layer 12 made of silicon monoxide (SiO) having a thickness of about 250 nm covers the nanowire 13 in the window 103 of the photoresist 102. A film is formed on 10A.
更に、図３（ｃ）に示すように、金（Ａｕ）からなる厚みが約１２０ｎｍの反射層１１が、フォトレジスト１０２の窓１０３内において、真空蒸着によりＭｇＯ基板１０Ａのキャビティ層１２上に成膜される。 Further, as shown in FIG. 3C, a reflective layer 11 made of gold (Au) having a thickness of about 120 nm is formed on the cavity layer 12 of the MgO substrate 10A by vacuum deposition in the window 103 of the photoresist 102. Be filmed.
次いで、図３（ｄ）に示すように、フォトレジスト１０２が除去されると、受光素子Ｓ（積層体１０１）が得られる。 Next, as shown in FIG. 3D, when the photoresist 102 is removed, the light receiving element S (laminated body 101) is obtained.
次いで、図示を省略しているが、ＭｇＯ基板１０Ａの厚みの調整が必要となる場合には、ＭｇＯ基板１０Ａの裏面を研磨することにより、ＭｇＯ基板１０Ａの厚みの調整が行われる。なお、ＭｇＯ基板１０Ａの研磨法の一例については、後述の実施例において述べる。一方、ＭｇＯ基板１０の厚みＬ１（図１参照）を、４００μｍのままにするときは、上述の研磨工程を省略するとよい。 Next, although not shown, when the thickness of the MgO substrate 10A needs to be adjusted, the thickness of the MgO substrate 10A is adjusted by polishing the back surface of the MgO substrate 10A. Note that an example of a method for polishing the MgO substrate 10A will be described in Examples described later. On the other hand, when the thickness L1 (see FIG. 1) of the MgO substrate 10 is kept at 400 μm, the above polishing step may be omitted.
これにより、厚みＬ１が所望の値に設定されたＭｇＯ基板１０（図１参照）が得られる。 Thereby, the MgO substrate 10 (see FIG. 1) in which the thickness L1 is set to a desired value is obtained.
その後、ＭｇＯ基板１０の裏面に反射防止層１４（図１参照）が形成される。 Thereafter, an antireflection layer 14 (see FIG. 1) is formed on the back surface of the MgO substrate 10.
このようにして、超伝導単一光子検出素子１００（図１参照）を製造できる。 In this way, the superconducting single photon detection element 100 (see FIG. 1) can be manufactured.
次に、以上の超伝導単一光子検出素子１００が実装されたＳＳＰＤ２００について図面を参照しながら説明する。 Next, the SSPD 200 on which the above superconducting single photon detection element 100 is mounted will be described with reference to the drawings.
図４は、本発明の実施形態のＳＳＰＤの構成の説明およびＳＳＰＤの実装方法の説明に用いる図である。 FIG. 4 is a diagram used for explaining the configuration of the SSPD and the method for mounting the SSPD according to the embodiment of the present invention.
なお、ＳＳＰＤ２００の構成については、図４（ｄ）に示されているが、ここでは、超伝導単一光子検出素子１００の構成要素の一部（例えば、反射防止層１４）の図示が省略されている。 Note that the configuration of the SSPD 200 is shown in FIG. 4D, but here, illustration of some of the components (for example, the antireflection layer 14) of the superconducting single photon detection element 100 is omitted. ing.
図４（ｄ）に示すように、ＳＳＰＤ２００の主要な部品（構成要素）として、銅製のパーケージブロック２２と、光伝送部品２３（光伝送手段）と、超伝導単一光子検出素子１００と、がある。 As shown in FIG. 4D, the main parts (components) of the SSPD 200 include a copper package block 22, an optical transmission component 23 (optical transmission means), and a superconducting single photon detection element 100. is there.
光伝送部品２３は、ファイバコア径（直径）が９μｍ程度の光ファイバ心線２３Ａと、光ファイバ心線２３Ａを被覆するフェルール２３Ｂ（光コネクタ）とを備える。 The optical transmission component 23 includes an optical fiber core wire 23A having a fiber core diameter (diameter) of about 9 μm and a ferrule 23B (optical connector) covering the optical fiber core wire 23A.
また、パーケージブロック２２は、超伝導単一光子検出素子１００の保持に用いる素子保持用ブロック２０と、光ファイバ２３の保持に用いる光ファイバ保持用ブロック２１とを備える。素子保持用ブロック２０の両端面２０Ａ、２０Ｂおよび光ファイバ保持用ブロック２１の両端面２１Ａ、２１Ｂでは、表面仕上げが施されており、平滑面となっている。 The package block 22 includes an element holding block 20 used for holding the superconducting single photon detecting element 100 and an optical fiber holding block 21 used for holding the optical fiber 23. The both end faces 20A, 20B of the element holding block 20 and the both end faces 21A, 21B of the optical fiber holding block 21 are surface-finished and smooth.
更に、光伝送部品保持用ブロック２１の中央部には、光伝送部品２３のフェルール２３Ｂを挿入できる程度の貫通孔２１Ｃが形成されている。また、素子保持用ブロック２０の中央部にも、厚みが２０μｍ〜３０μｍ程度のフィルム状のクリアランス調整部材２５の外寸よりも大きく、かつ、ダミーのフラット基板２６（ダミー基板）の外寸よりも小さい貫通孔２０Ｃが形成されている。なお、貫通孔２０Ｃの外寸は、貫通孔２１Ｃの外寸よりも大きい。また、フラット基板２６の外寸は、ＭｇＯ基板１０の外寸と同じ寸法になっている。 Furthermore, a through-hole 21 </ b> C is formed at the center of the optical transmission component holding block 21 to such an extent that the ferrule 23 </ b> B of the optical transmission component 23 can be inserted. In addition, the central portion of the element holding block 20 is larger than the outer dimension of the film-like clearance adjusting member 25 having a thickness of about 20 μm to 30 μm and is larger than the outer dimension of the dummy flat substrate 26 (dummy substrate). A small through hole 20C is formed. The outer dimension of the through hole 20C is larger than the outer dimension of the through hole 21C. Further, the outer dimension of the flat substrate 26 is the same as the outer dimension of the MgO substrate 10.
次に、超伝導単一光子検出素子１００と光伝送部品２３とを、パッケージブロック２２に実装するＳＳＰＤ２００の部品の実装方法について図４を参照しながら説明する。 Next, a method for mounting the components of the SSPD 200 in which the superconducting single photon detection element 100 and the optical transmission component 23 are mounted on the package block 22 will be described with reference to FIG.
図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、素子保持用ブロック２０の端面２０Ｂと光伝送部品保持用ブロック２１の端面２１Ａとが互いに密着するよう、両者は固定ボルト（図示せず）によって締結され、これにより、パーケージブロック２２が使用される。そして、この場合、光伝送部品保持用ブロック２１の貫通孔２１Ｃの中心軸と、素子保持用ブロック２０の貫通孔２０Ｃの中心軸と、がほぼ一致するよう、素子保持用ブロック２０および光伝送部品保持用ブロック２１は互いに固定される。よって、このような一対の貫通孔２０Ｃ、２１Ｃが、パーケージブロック２２に形成された貫通孔として機能する。 As shown in FIGS. 4A and 4B, both are fixed bolts (not shown) so that the end surface 20B of the element holding block 20 and the end surface 21A of the optical transmission component holding block 21 are in close contact with each other. ), Whereby the package block 22 is used. In this case, the element holding block 20 and the optical transmission component are arranged so that the central axis of the through hole 21C of the optical transmission component holding block 21 and the central axis of the through hole 20C of the element holding block 20 substantially coincide with each other. The holding blocks 21 are fixed to each other. Therefore, the pair of through holes 20 </ b> C and 21 </ b> C function as a through hole formed in the package block 22.
なお、素子保持用ブロック２０は、図示しないボルト締結部の遊びにより、その端面２０Ａの面内方向に僅かに動かすこともできる。このため、図４（ｄ）のＳＳＰＤ２００では、光伝送部品２３から光を出射されることにより、受光素子Ｓの面内方向の光伝送部品２３との間の位置を、当該出射光の目視により調整できる。 The element holding block 20 can also be moved slightly in the in-plane direction of the end face 20A by play of a bolt fastening portion (not shown). For this reason, in the SSPD 200 of FIG. 4D, when light is emitted from the optical transmission component 23, the position between the light transmission element 23 and the optical transmission component 23 in the in-plane direction is visually observed. Can be adjusted.
以上のパーケージブロック２２において、図４（ｂ）に示すように、貫通孔２０Ｃにフラット基板３６を被せることにより、このフラット基板２６の表面上に密着されたクリアランス調整部材２５を貫通孔２０Ｃ内に配置させる。 In the above-described package block 22, as shown in FIG. 4B, the clearance adjustment member 25 closely attached on the surface of the flat substrate 26 is put in the through-hole 20 </ b> C by covering the through-hole 20 </ b> C with the flat substrate 36. Arrange.
次に、図４（ｂ）に示すように、貫通孔２１Ｃ、２０Ｃ内に光伝送部品２３のフェルール２３Ｂを挿入することにより、フェルール２３Ｂの先端（ファイバ端）をクリアランス調整部材２５に当接させる。 Next, as shown in FIG. 4B, the tip (fiber end) of the ferrule 23B is brought into contact with the clearance adjustment member 25 by inserting the ferrule 23B of the optical transmission component 23 into the through holes 21C and 20C. .
次いで、図４（ｃ）に示すように、光伝送部品２３のフェルール２３Ｂの先端がクリアランス調整部材２５に当接した状態で、フェルール２３Ｂの後部を、光伝送部品保持用ブロック２１にエポキシ樹脂２４を用いて固定する。これにより、光伝送部品２３が、光伝送部品保持用ブロック２１に適切に固定され、クリアランスＬ２が適量に維持される。 Next, as shown in FIG. 4C, with the tip of the ferrule 23B of the optical transmission component 23 in contact with the clearance adjusting member 25, the rear portion of the ferrule 23B is attached to the optical transmission component holding block 21 with an epoxy resin 24. Use to fix. Thereby, the optical transmission component 23 is appropriately fixed to the optical transmission component holding block 21, and the clearance L2 is maintained at an appropriate amount.
最後に、図４（ｄ）に示すように、フラット基板２６を除去して、超伝導単一光子検出素子１００のＭｇＯ基板１０に形成された反射防止層１４（図４では図示省略）が光伝送部品２３のフェルール２３Ｂの先端と対置するよう、超伝導単一光子検出素子１００を貫通孔２０Ｃに被せる。 Finally, as shown in FIG. 4 (d), the flat substrate 26 is removed, and the antireflection layer 14 (not shown in FIG. 4) formed on the MgO substrate 10 of the superconducting single photon detection element 100 is light. The superconducting single photon detection element 100 is placed over the through hole 20C so as to face the tip of the ferrule 23B of the transmission component 23.
以上のＳＳＰＤ２００の実装により、ＭｇＯ基板１０（反射防止層１４）とフェルール２３Ｂの先端（後述のマイクロレンズ７５の先端）との間の距離に相当するクリアランスＬ２が、適量（例えば、２０μｍ〜３０μｍ程度）に調整されたＳＳＰＤ２００が得られる。 By mounting the SSPD 200 as described above, the clearance L2 corresponding to the distance between the MgO substrate 10 (antireflection layer 14) and the tip of the ferrule 23B (tip of a micro lens 75 described later) is an appropriate amount (for example, about 20 μm to 30 μm). SSPD 200 adjusted to () is obtained.
そして、このようなパーケージング方式のＳＳＰＤ２００では、ナノステージ方式の実装（詳細な説明は省略）と比べて極めて高価なステージが不要となり、コンパクトに構成できる。よって、このＳＳＰＤ２００は、量子暗号通信などの量子通信分野への利用を考慮した場合の多チャンネル化においてコスト対応力に優れる。 Such a parsing type SSPD 200 does not require a very expensive stage as compared with a nano-stage type implementation (detailed explanation is omitted), and can be configured compactly. Therefore, this SSPD 200 is excellent in cost responsiveness in multi-channeling when considering use in the quantum communication field such as quantum cryptography communication.
また、超伝導単一光子検出素子１００を貫通孔２０Ｃに被せた後、この超伝導単一光子検出素子１００のＭｇＯ基板１０を素子保持用ブロック２０に、極低温用接着剤の一例であるエレクトロンワックス（詳細は後述）を用いて固定すると、両者間の熱伝導性を向上できるので都合がよい。よって、ＧＭ冷凍機（図示せず）を用いて、銅製のパーケージブロック２２を極低温（４Ｋ程度）に冷却する場合に、超伝導単一光子検出素子１００を効率的に超伝導状態にできる。 Further, after the superconducting single photon detecting element 100 is put on the through-hole 20C, the MgO substrate 10 of the superconducting single photon detecting element 100 is applied to the element holding block 20 as an example of a cryogenic adhesive. Fixing with wax (details will be described later) is advantageous because the thermal conductivity between the two can be improved. Therefore, when the package block 22 made of copper is cooled to an extremely low temperature (about 4K) using a GM refrigerator (not shown), the superconducting single photon detection element 100 can be efficiently put into a superconducting state.
ところで、本実施形態のＳＳＰＤ２００では、光伝送部品２３の先端部Ｔ（図４（ｄ）参照）の構造にも特徴がある。 Incidentally, the SSPD 200 of the present embodiment is also characterized by the structure of the tip portion T (see FIG. 4D) of the optical transmission component 23.
図５は、図４（ｄ）の光伝送部品の先端部の構造を示した拡大図である。図５（ａ）には、光伝送部品２３の先端部Ｔの断面が図示されている。図５（ｂ）には、図５（ａ）のＶＢ−ＶＢでの光ファイバ７２の先端が図示されている。図５（ｃ）には、図５（ａ）のＶＣ−ＶＣでの屈折率分布型のマイクロレンズ７５の先端が図示されている。 FIG. 5 is an enlarged view showing the structure of the tip of the optical transmission component in FIG. FIG. 5A shows a cross section of the tip T of the optical transmission component 23. FIG. 5B shows the tip of the optical fiber 72 at VB-VB in FIG. FIG. 5C shows the tip of a refractive index distribution type microlens 75 in the VC-VC of FIG.
図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、光ファイバ７２は、フェルール２３Ｂの先端からマイクロレンズ７５の長さ分だけ、後退している。つまり、フェルール２３Ｂの先端と、マイクロレンズ７５の先端と、が丁度一致するように、両者は配されている。なお、光ファイバ７２は、ファイバコア径（直径）が約９μｍのコア７１とコア７１を被覆するクラッド７０と、を備える。 As shown in FIGS. 5A and 5B, the optical fiber 72 is retracted by the length of the microlens 75 from the tip of the ferrule 23B. That is, both are arranged so that the tip of the ferrule 23B and the tip of the micro lens 75 are exactly the same. The optical fiber 72 includes a core 71 having a fiber core diameter (diameter) of about 9 μm and a clad 70 that covers the core 71.
一方、図５（ａ）および図５（ｃ）に示すように、マイクロレンズ７５は、低ＮＡレンズ７３と高ＮＡレンズ７４とからなる屈折率分布型となっており、これらのレンズ７３、７４が、光ファイバ７２の先端に調芯融着されている。これにより、光ファイバ７２のコア７１によって伝送された光がマイクロレンズ７５を用いて集光される。 On the other hand, as shown in FIG. 5A and FIG. 5C, the microlens 75 is a refractive index distribution type composed of a low NA lens 73 and a high NA lens 74. Is aligned and fused to the tip of the optical fiber 72. Thereby, the light transmitted by the core 71 of the optical fiber 72 is condensed using the microlens 75.
なお、以上の光伝送部品２３として、例えば、東洋ガラス株式会社製のシリカグリンコンデンサ（登録商標）を用いることができる。よって、光伝送部品２３の各構成要素の詳細な説明は、ここでは省略する。 In addition, as the above optical transmission component 23, for example, a silica grin capacitor (registered trademark) manufactured by Toyo Glass Co., Ltd. can be used. Therefore, detailed description of each component of the optical transmission component 23 is omitted here.
次に、光伝送部品２３のマイクロレンズ７５による光の集光性能について説明する。 Next, the light condensing performance by the microlens 75 of the optical transmission component 23 will be described.
図６は、マイクロレンズから出射された光のビームウェスト距離と、出射光のビームウェスト直径との間の関係を表した計算結果（プロファイル）を示した図である。
図６では、低ＮＡレンズ７３のＮＡと、高ＮＡレンズ７４のＮＡと、が、それぞれパラメータに取られ、合計４つのプロファイルが示されている。なお、図６のプロファイルの計算では、光ファイバ伝送に最も適した通信波長１５５０ｎｍの通信路用シングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）を用いている。また、コア径が９μｍの光ファイバのファイバ端でのモードフィールド径（ＭＦＤ）を、１５５０ｎｍの通信路用シングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）の場合の光のクラッド領域への漏れ出しを考慮して、１０．４μｍとしている。また、マイクロレンズ７５からの出射光が伝搬する雰囲気は空気としている。
FIG. 6 is a diagram showing a calculation result (profile) representing the relationship between the beam waist distance of the light emitted from the microlens and the beam waist diameter of the emitted light.
In FIG. 6, the NA of the low NA lens 73 and the NA of the high NA lens 74 are respectively taken as parameters, and a total of four profiles are shown. In the calculation of the profile in FIG. 6, a single-mode optical fiber (SMF) for communication channel having a communication wavelength of 1550 nm that is most suitable for optical fiber transmission is used. In addition, considering the mode field diameter (MFD) at the fiber end of an optical fiber having a core diameter of 9 μm, the leakage of light into the cladding region in the case of a single mode optical fiber (SMF) for a communication path of 1550 nm, It is 10.4 μm. The atmosphere in which the light emitted from the microlens 75 propagates is air.
図６に示すように、何れのプロファイルも同じ傾向を持ち、出射光のビームウェスト距離「Ｌｏ」が約１００μｍ付近では、出射光のビームウェスト直径「２ωｏ」が４μｍ〜５μｍ程度にまで、スポット径を小さくできることが分かる。よって、この場合、受光素子Ｓのサイズを小面積（例えば、５×５μｍ角）にして、素子検出効率Ｐｄを上げるとともに、受光素子Ｓの高効率光結合を実現するときに都合がよい。 As shown in FIG. 6, both profiles have the same tendency, and when the beam waist distance “L o ” of the emitted light is about 100 μm, the beam waist diameter “2ω o ” of the emitted light reaches about 4 μm to 5 μm. It can be seen that the spot diameter can be reduced. Therefore, in this case, it is convenient when the size of the light receiving element S is reduced to a small area (for example, 5 × 5 μm square), the element detection efficiency Pd is increased, and high efficiency optical coupling of the light receiving element S is realized.
そして、出射光のビームウェスト距離「Ｌｏ」（約１００μｍ付近）に、光伝送部品２３の先端（マイクロレンズ７５の先端）と受光素子Ｓとの間の距離（Ｌ１＋Ｌ２）を合わせるには、ＭｇＯ基板１０の厚みＬ１の調整（例えば、ＭｇＯ基板１０の厚みＬ１を５０μｍ程度まで研磨）、および、クリアランスＬ２の調整を行うとよい。ＭｇＯ基板１０の厚みＬ１の調整は、ＭｇＯ基板１０Ａの研磨（後述）により適切に行える。また、クリアランスＬ２の調整は、図４に示した実装により適切に行える。 In order to match the distance (L1 + L2) between the tip of the optical transmission component 23 (tip of the microlens 75) and the light receiving element S to the beam waist distance “L o ” (about 100 μm) of the emitted light, MgO Adjustment of the thickness L1 of the substrate 10 (for example, polishing the thickness L1 of the MgO substrate 10 to about 50 μm) and adjustment of the clearance L2 may be performed. The thickness L1 of the MgO substrate 10 can be adjusted appropriately by polishing the MgO substrate 10A (described later). The clearance L2 can be adjusted appropriately by the mounting shown in FIG.
また、図６に示すように、出射光のビームウェスト距離「Ｌｏ」が約４３０μｍ付近では、出射光のビームウェスト直径「２ωｏ」が１１μｍ〜１２μｍ程度にまで、スポット径を大きくできることが分かる。よって、この場合、受光素子Ｓのサイズを大面積（例えば、１５×１５μｍ角）にして、受光素子Ｓのアレイ化によって受光素子Ｓに付加機構（例えば、光子Ｐの個数の識別機能）を追加するとともに、受光素子Ｓの高効率光結合を実現するときに都合がよい。 Further, as shown in FIG. 6, when the beam waist distance “L o ” of the emitted light is about 430 μm, the spot diameter can be increased to the beam waist diameter “2ω o ” of the emitted light of about 11 μm to 12 μm. . Therefore, in this case, the size of the light receiving element S is increased (for example, 15 × 15 μm square), and an additional mechanism (for example, a function for identifying the number of photons P) is added to the light receiving element S by arraying the light receiving elements S. In addition, it is convenient when realizing high-efficiency optical coupling of the light receiving element S.
そして、出射光のビームウェスト距離「Ｌｏ」（約４３０μｍ付近）に、光伝送部品２３の先端（マイクロレンズ７５の先端）と受光素子Ｓとの間の距離（Ｌ１＋Ｌ２）を合わせるには、ＭｇＯ基板１０を研磨せずに、クリアランスＬ２の調整のみを行うとよい。クリアランスＬ２の調整は、図４に示した実装により適切に行える。 In order to match the distance (L1 + L2) between the tip of the light transmission component 23 (tip of the microlens 75) and the light receiving element S to the beam waist distance “L o ” (about 430 μm) of the emitted light, MgO It is preferable to adjust only the clearance L2 without polishing the substrate 10. The clearance L2 can be adjusted appropriately by the mounting shown in FIG.
以上により、ＭｇＯ基板１０を研磨せずに済むので、ＳＳＰＤ２００の製造プロセスの簡素化およびＭｇＯ基板１０の機械強度の充分な確保が可能になる。 As described above, since it is not necessary to polish the MgO substrate 10, it is possible to simplify the manufacturing process of the SSPD 200 and to ensure sufficient mechanical strength of the MgO substrate 10.
なお、ここでは、ＭｇＯ基板１０の厚みＬ１が両極端の場合（Ｌ１＝５０μｍ、Ｌ１＝４００μｍの場合）を例示したが、これに限らない。本実施形態のＳＳＰＤ２００では、受光素子Ｓの面積に応じた、ＭｇＯ基板１０の厚みとマイクロレンズ７５のレンズ設計との間の好適な組合せにより、ＳＳＰＤ７５の機械強度および製造プロセスの最適化を図ることができる。 Here, the case where the thickness L1 of the MgO substrate 10 is extreme (in the case of L1 = 50 μm, L1 = 400 μm) is exemplified, but the present invention is not limited to this. In the SSPD 200 of the present embodiment, the mechanical strength and the manufacturing process of the SSPD 75 are optimized by a suitable combination between the thickness of the MgO substrate 10 and the lens design of the microlens 75 according to the area of the light receiving element S. Can do.
次に、ＳＳＰＤ２００のシステム検出効率Ｒの、マイクロレンズ７５の有無による依存性について実験検証した結果の一例を述べる。 Next, an example of the results of experimental verification of the dependence of the system detection efficiency R of the SSPD 200 on the presence or absence of the microlens 75 will be described.
図７は、マイクロレンズが融着されたＳＳＰＤ（「レンズ付きＳＳＰＤ」という）およびマイクロレンズが融着されなかったＳＳＰＤ（「レンズなしＳＳＰＤ」という）のそれぞれのシステム検出効率の測定値をプロットした図である。 FIG. 7 plots the system detection efficiency measurements for SSPD with a microlens fused (referred to as “SSPD with lens”) and SSPD without a microlens fused (referred to as “SSPD without lens”). FIG.
図７の横軸には、システムの雑音に相当する暗計数（ｃ／ｓ；カウント／秒）が取られ、図８の縦軸には、システム検出効率Ｒ（％）が取られている。 The horizontal axis in FIG. 7 represents the dark count (c / s; count / second) corresponding to the system noise, and the vertical axis in FIG. 8 represents the system detection efficiency R (%).
本検証実験では、光ファイバ伝送に最も適した通信波長１５５０ｎｍの通信路用シングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）が用いられ、１５×１５μｍ角の受光素子Ｓが用いられている。また、ＭｇＯ基板１０の裏面を研磨せずに、その厚みＬ１は、４００μｍ程度となっている。また、クリアランスＬ２は、約３０μｍ程度となっている。 In this verification experiment, a single-mode optical fiber (SMF) for communication path having a communication wavelength of 1550 nm most suitable for optical fiber transmission is used, and a light receiving element S of 15 × 15 μm square is used. Further, the thickness L1 is about 400 μm without polishing the back surface of the MgO substrate 10. The clearance L2 is about 30 μm.
なお、光ファイバのコア径は約９μｍであるが、上述のとおり、１５５０ｎｍの通信路用シングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）の場合、光のクラッド領域への漏れ出しにより、ＭＦＤは、１０．４μｍ程度となる。 Although the core diameter of the optical fiber is about 9 μm, as described above, in the case of a single mode optical fiber (SMF) for 1550 nm communication path, the MFD is about 10.4 μm due to leakage of light into the cladding region. It becomes.
図７に示すように、所望の暗計数（１０２ｃ／ｓ）において、レンズなしＳＳＰＤのプロット（図７の黒丸）のシステム検出効率Ｒが約２．５％であったのに対し、レンズ付きＳＳＰＤのプロット（図７の白丸）のシステム検出効率Ｒが約２０％であった。また、図７から容易に理解できるとおり、全ての暗計数に亘って、レンズ付きＳＳＰＤのシステム検出効率Ｒが、レンズなしＳＳＰＤのそれよりも高くなっている。 As shown in FIG. 7, at a desired dark count (10 2 c / s), the system detection efficiency R of the plot of SSPD without lens (black circle in FIG. 7) was about 2.5%, while the lens The system detection efficiency R in the SSPD plot (white circle in FIG. 7) was about 20%. Moreover, as can be easily understood from FIG. 7, the system detection efficiency R of the SSPD with lens is higher than that of the SSPD without lens over all dark counts.
よって、ＳＳＰＤ２００の高効率光結合を図るときのマイクロレンズ７５の有用性を検証できた。 Therefore, the usefulness of the microlens 75 when attempting high-efficiency optical coupling of the SSPD 200 could be verified.
以上のとおり、本実施形態のＳＳＰＤ２００では、マイクロレンズ７５からの出射光が、窒化ニオブ配線１３が形成された受光素子Ｓにおいて所定のビームウェスト直径「２ωｏ」となるよう、マイクロレンズ７５の先端から受光素子Ｓまでの距離が調整されている。 As described above, in the SSPD 200 of the present embodiment, the tip of the microlens 75 is such that the light emitted from the microlens 75 has a predetermined beam waist diameter “2ω o ” in the light receiving element S on which the niobium nitride wiring 13 is formed. To the light receiving element S is adjusted.
また、本実施形態のＳＳＰＤ２００では、上記距離の調整の一例として、ＭｇＯ基板１０Ａの裏面を削っている。 Further, in the SSPD 200 of the present embodiment, the back surface of the MgO substrate 10A is shaved as an example of adjusting the distance.
これにより、ＭｇＯ基板１０Ａの厚み（例えば、４００μｍ）を容易に変更できるので、ＳＳＰＤ２００の用途に合わせて、マイクロレンズ７５の先端から受光素子Ｓまでの距離を適宜、調整できる。 Thereby, since the thickness (for example, 400 micrometers) of MgO board | substrate 10A can be changed easily, the distance from the front-end | tip of the micro lens 75 to the light receiving element S can be adjusted suitably according to the use of SSPD200.
つまり、本実施形態のＳＳＰＤ２００では、受光素子Ｓのサイズに適合した高効率光結合を実現できる。このため、小面積（例えば、５×５μｍ角）から大面積（例えば、１５×１５μｍ角）に亘る様々なサイズの受光素子Ｓを用いても、ＳＳＰＤ２００を、そのシステム検出効率Ｒが、従来のＳＳＰＤのそれよりも向上するように構成できる。 That is, in the SSPD 200 of the present embodiment, high-efficiency optical coupling suitable for the size of the light receiving element S can be realized. For this reason, even when using light receiving elements S of various sizes ranging from a small area (for example, 5 × 5 μm square) to a large area (for example, 15 × 15 μm square), the system detection efficiency R of the SSPD 200 is It can be configured to improve over that of SSPD.
なお、本明細書においては、本実施形態のＳＳＰＤ２００の用途として、量子通信分野を述べたが、これはあくまで一例に過ぎない。ＳＳＰＤ２００は、量子通信分野への利用の他、テラヘルツ（ＴＨｚ）エレクトロニクス技術、Ｘ線観測技術、質量分析技術などの様々なエネルギー粒子検出分野に応用できる。 In this specification, the quantum communication field has been described as an application of the SSPD 200 of the present embodiment, but this is only an example. The SSPD 200 can be applied to various energetic particle detection fields such as terahertz (THz) electronics technology, X-ray observation technology, mass spectrometry technology, etc. in addition to use in the quantum communication field.
以下、ＭｇＯ基板１０Ａの裏面の研磨法の一例および本実施形態のＳＳＰＤ２００の実装例について述べる。
（ＭｇＯ基板１０Ａの裏面の研磨法）
図８は、受光素子が搭載されたＭｇＯ基板の研磨システムを示した図である。
Hereinafter, an example of the polishing method of the back surface of the MgO substrate 10A and a mounting example of the SSPD 200 of the present embodiment will be described.
(Polishing method of the back surface of the MgO substrate 10A)
FIG. 8 is a diagram showing a polishing system for an MgO substrate on which a light receiving element is mounted.
図８に示すように、受講素子Ｓ（図８では図示せず）が搭載されたＭｇＯ基板１０Ａが、台座６１にセットされている。そして、この台座６１上のＭｇＯ基板１０Ａの裏面が、研磨シート６０によって機械的に研磨され、ＭｇＯ基板１０Ａの研磨量がマイクロメータ６２によってリアルタイムにモニターされている。 As shown in FIG. 8, the MgO substrate 10 </ b> A on which the attendance element S (not shown in FIG. 8) is mounted is set on the pedestal 61. The back surface of the MgO substrate 10A on the pedestal 61 is mechanically polished by the polishing sheet 60, and the polishing amount of the MgO substrate 10A is monitored in real time by the micrometer 62.
なお、ここでの研磨システムの詳細は、以下のとおりである。 The details of the polishing system here are as follows.
研磨機： ALLIED社製 MULTI PREPTM（商標）システム
研磨シート６０：ALLIED社製 DIAMOND LAPPING FILM(８インチＤＩＳＫ)
研磨シート６０中のダイヤモンド粒径：３μｍ、または、５μｍ
ステージ回転速度：１２０ｒｐｍ
研磨レート：３μｍ/分（５μｍの研磨シート６０の使用時）
：１μｍ/分（３μｍの研磨シート６０の使用時）
以上のＭｇＯ基板１０Ａの裏面の研磨法によれば、ＭｇＯ基板１０Ａの厚みをリアルタイムにモニターしながらＭｇＯ基板１０Ａの裏面を研磨できるので、ＭｇＯ基板１０Ａを所望の厚さに容易に制御できる。
（ＳＳＰＤ２００の実装例）
図９では、光伝送部品２３が光伝送部品保持用ブロック２１に実装された写真が掲載されている。
Polishing machine: MULTI PREP TM (trademark) system made by ALLIED Polishing sheet 60: DIAMOND LAPPING FILM (8 inch DISK) made by ALLIED
Diamond particle size in polishing sheet 60: 3 μm or 5 μm
Stage rotation speed: 120rpm
Polishing rate: 3 μm / min (when using 5 μm polishing sheet 60)
: 1 μm / min (when using 3 μm polishing sheet 60)
According to the above polishing method of the back surface of the MgO substrate 10A, the back surface of the MgO substrate 10A can be polished while monitoring the thickness of the MgO substrate 10A in real time, so that the MgO substrate 10A can be easily controlled to a desired thickness.
(Installation example of SSPD200)
In FIG. 9, a photograph in which the optical transmission component 23 is mounted on the optical transmission component holding block 21 is shown.
また、図１０では、受光素子Ｓが搭載されたＭｇＯ基板１０が、素子保持用ブロック２０に実装された写真が掲載されている。 FIG. 10 shows a photograph in which the MgO substrate 10 on which the light receiving element S is mounted is mounted on the element holding block 20.
図１０に示すように、ＳＳＰＤ２００（図４参照）は、パーケージング方式の実装を用いてコンパクトに構成されている。よって、このＳＳＰＤ２００は、量子暗号通信などの量子通信分野への利用を考慮した場合の多チャンネル化においてコスト対応力に優れる。 As shown in FIG. 10, the SSPD 200 (see FIG. 4) is configured in a compact manner using a packaging method. Therefore, this SSPD 200 is excellent in cost responsiveness in multi-channeling when considering use in the quantum communication field such as quantum cryptography communication.
また、図１０に示すように、素子保持用ブロック２０の表面には、ＭｇＯ基板１０の外寸と同寸法の凹部が形成され、凹部の近傍に同軸コネクタ５１が配されている。 As shown in FIG. 10, a recess having the same dimension as the outer dimension of the MgO substrate 10 is formed on the surface of the element holding block 20, and a coaxial connector 51 is disposed in the vicinity of the recess.
そして、この凹部内にＭｇＯ基板１０が嵌め込まれ、ＭｇＯ基板１０の四隅と素子保持用ブロック２０の表面とを跨ぐように、極低温用接着剤(本例ではエレクトロンワックス)５０が配されている。このエレクトロンワックス５０により、ＭｇＯ基板１０が、素子保持用ブロック２０に適切に固定され、クリアランスＬ２が適量に維持される。また、ＭｇＯ基板１０と素子保持用ブロック２０との間の熱伝導性がエレクトロンワックス５０を用いて適切に向上する。 Then, the MgO substrate 10 is fitted in the recess, and an extremely low temperature adhesive (electron wax in this example) 50 is disposed so as to straddle the four corners of the MgO substrate 10 and the surface of the element holding block 20. . With this electron wax 50, the MgO substrate 10 is appropriately fixed to the element holding block 20, and the clearance L2 is maintained at an appropriate amount. Further, the thermal conductivity between the MgO substrate 10 and the element holding block 20 is appropriately improved by using the electron wax 50.
本発明によれば、積層構造の受光素子のサイズに適合して高効率光結合を実現できる超伝導単一光子検出器が得られる。 According to the present invention, it is possible to obtain a superconducting single photon detector that can realize high-efficiency optical coupling in conformity with the size of a light receiving element having a laminated structure.
よって、本発明は、光ファイバ伝送に最も適した通信波長でのシステム検出効率の向上を図れ、例えば、量子暗号通信などの量子通信分野の検出素子にとして利用することができる。 Therefore, the present invention can improve the system detection efficiency at the communication wavelength most suitable for optical fiber transmission, and can be used, for example, as a detection element in the quantum communication field such as quantum cryptography communication.
１０、１０Ａ ＭｇＯ基板
１１ 反射層
１２ キャビティ層
１３ ナノワイヤ
１３Ａ 窒化ニオブ層
１４ 反射防止層
１５ 伝送経路
２０ 素子保持用ブロック
２１ 光伝送部品保持用ブロック
２２ パーケージブロック
２３ 光伝送部品
２３Ａ 光ファイバ心線
２３Ｂ フェルール
２４ エポキシ樹脂
２５ クリアランス調整部材
２６ フラット基板
５０ 極低温用接着剤（エレクトロンワックス）
５１ 同軸コネクタ
６０ 研磨シート
６１ 台座
６２ マイクロメータ
７０ クラッド
７１ コア
７２ 光ファイバ
７３ 低ＮＡレンズ
７４ 高ＮＡレンズ
７５ マイクロレンズ
１０１ 積層体
１０２ フォトレジスト
１０３ フォトレジストの窓
１００ 超伝導単一光子検出素子
２００ 超伝導単一光子検出器（ＳＳＰＤ）
Ｌ１ ＭｇＯ基板の厚み
Ｌ２ クリアランス
Ｓ 受光素子
Ｐ 光子
Ｐｃ 光カップリング効率
Ｐａ 光吸収効率
Ｐｄ 素子検出効率
Ｒ システム検出効率
Ｔ 光伝送部品の先端部
10, 10A MgO substrate 11 Reflective layer 12 Cavity layer 13 Nanowire 13A Niobium nitride layer 14 Antireflection layer 15 Transmission path 20 Element holding block 21 Optical transmission component holding block 22 Package block 23 Optical transmission component 23A Optical fiber core wire 23B Ferrule 24 Epoxy resin 25 Clearance adjusting member 26 Flat substrate 50 Cryogenic adhesive (electron wax)
51 Coaxial connector 60 Polishing sheet
61 Pedestal 62 Micrometer 70 Clad 71 Core 72 Optical fiber 73 Low NA lens 74 High NA lens 75 Micro lens 101 Laminated body 102 Photoresist 103 Photoresist window 100 Superconducting single photon detector 200 Superconducting single photon detector (SSPD)
L1 MgO substrate thickness L2 Clearance S Light receiving element P Photon Pc Optical coupling efficiency Pa Light absorption efficiency Pd Element detection efficiency R System detection efficiency T Tip of optical transmission component
Claims (3)
光ファイバと、前記光ファイバの先端に調芯融着されたレンズと、を有する光伝送手段とを、
パーケージブロックに実装する超伝導単一光子検出器の実装方法であって、
前記窒化ニオブ配線は、所定のバイアス電流が流れるよう、伝送線路を介してバイアス源に接続されて、超伝導状態において使用され、
前記窒化ニオブ配線に光子が入射した際の前記窒化ニオブ配線の抵抗変化に基づいて、前記光子が、前記超伝導単一光子検出素子において１個ずつ検出されており、
前記パーケージブロックに形成された貫通孔にダミー基板を被せることにより、前記ダミー基板上に密着されたクリアランス調整部材を前記貫通孔内に配する工程と、
前記貫通孔内に前記光伝送手段を挿入することにより、前記光伝送手段のレンズの先端を前記クリアランス調整部材に当接させる工程と、
前記ダミー基板を除去して、前記超伝導単一光子検出素子の基板の反射防止層が前記レンズの先端と対置するよう、前記超伝導単一光子検出素子を前記貫通孔に被せる工程と、
を含む超伝導単一光子検出器の実装方法。 A substrate made of magnesium oxide, a niobium nitride wiring formed on the surface of the substrate, a cavity layer formed on the niobium nitride wiring, a reflective layer formed on the cavity layer, and a back surface of the substrate A superconducting single photon detection element having a formed antireflection layer ;
An optical transmission means having an optical fiber and a lens that is aligned and fused to the tip of the optical fiber ;
A method of mounting a superconducting single photon detector mounted on a package block,
The niobium nitride wiring is used in a superconducting state, connected to a bias source via a transmission line so that a predetermined bias current flows.
Based on the resistance change of the niobium nitride wiring when the photon is incident on the niobium nitride wiring, the photons are detected one by one in the superconducting single photon detection element,
Disposing a clearance adjustment member in close contact with the dummy substrate in the through hole by covering the through hole formed in the package block with a dummy substrate;
Inserting the optical transmission means into the through hole to bring the lens tip of the optical transmission means into contact with the clearance adjustment member;
Removing the dummy substrate and covering the through hole with the superconducting single photon detection element such that the antireflection layer of the substrate of the superconducting single photon detection element faces the tip of the lens;
A method of implementing a superconducting single photon detector including:
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