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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情報通信研究機構(NICT)

 情報通信研究機構(NICT)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たと発表した。
 これまでNICTは,2013年に通信波長帯(1,550nm)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)の除去が難しかった。
 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った。シリコン基板上に2種類の誘電体(二酸化シリ コンおよび二酸化チタン)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により,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る。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る。
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の実現が期待される。

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