JP2010258208A - Superconductive single photon detecting element, method of manufacturing the superconductive single photon detecting element, and method of mounting components of superconductive single photon detector - Google Patents

Superconductive single photon detecting element, method of manufacturing the superconductive single photon detecting element, and method of mounting components of superconductive single photon detector Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a superconductive single photon detecting element excellent in both photocoupling property with photons and optical absorbing property. <P>SOLUTION: The superconductive single photon detecting element 100 includes a magnesium oxide substrate 10, a niobium nitride wiring 13 formed on a front surface of the substrate 10, a cavity layer 12 formed on the niobium nitride wiring 13, a reflection layer 11 formed on the cavity layer 12, and an antireflection layer 14 formed on a rear surface of the substrate 10. The niobium nitride wiring 13 is connected with a bias source via a transmission line 15 to flow a predetermined bias current through it to be used in a superconductive state. Photons P are detected one by one based on a change in resistance of the niobium nitride wiring 13 when the photons P are incident on the niobium nitride wiring 13 from the rear surface side of the substrate 10. The thickness L1 of the substrate 10 is set in a thickness range L1<SB>opt</SB>of the substrate 10 with which a photocoupling efficiency P<SB>c</SB>is saturated. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、超伝導単一光子検出素子、超伝導単一光子検出素子の製造方法および、超伝導単一光子検出素子を備える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)の部品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)を用いた超伝導単一光子検出素子の改良に関する。   The present invention relates to a superconducting single photon detector, a method of manufacturing a superconducting single photon detector, and a superconducting single photon detector (hereinafter referred to as “SSPD”). Is sometimes abbreviated as “)”. In particular, the present invention relates to an improvement in a superconducting single photon detection element 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は、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。   Superconducting single-photon detection elements that can detect photons one by one are expected to be used in the field of quantum communication such as quantum cryptography that makes wiretapping impossible.

このような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(MgO基板)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。   As an example of such a superconducting single photon detection element, a single layer structure detection element (hereinafter referred to as “single layer structure element”) in which a single niobium nitride layer is formed on a magnesium oxide substrate (MgO substrate). ) 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基板の表面に配され、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をナノワイヤ上に容易に集光でき、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, meander-like (meandering) nanowires made of a niobium nitride layer are arranged on the surface of the MgO substrate, so that light can be incident on the surface of the MgO substrate. Therefore, the single-layer structure element can easily collect the light emitted from the optical fiber onto the nanowire, and has excellent optical coupling properties 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の光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 causes a decrease in the photodetection efficiency of SSPDs using the.

なお、本明細書において、「光検出効率」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、光検出効率Rは、下記式(1)で表される。   In this specification, “light 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 light detection efficiency R is represented by the following formula (1).

R=Pc×Pa×Pd・・・(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。   In formula (1), “Pc” is the optical coupling efficiency corresponding to the rate at which photons can be coupled to the nanowires. “Pa” is the light absorption efficiency corresponding to the photon absorption ratio in the nanowire. Pd is an element detection efficiency corresponding to the rate at which a signal is generated when a photon enters the light receiving element.

ところで、光検出効率Rを改善させる目的で、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)。   By the way, in order to improve the light detection efficiency R, a superconducting single photon detection element (hereinafter referred to as “conventional multilayer structure element”) having a multilayer structure (optical cavity structure) is proposed instead of a single layer structure element. (For example, refer nonpatent literature 1).

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 meander-like nanowires 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.

23 January 2006/Vol.14, No 2/OPTICS EXPRESS 527-53423 January 2006 / Vol.14, No 2 / OPTICS EXPRESS 527-534

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。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、光検出効率Rの向上が図れないことがある。   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. 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 light detection efficiency R may not be improved.

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、光検出効率Rの向上において一長一短がある。   As described above, both the single layer structure element and the conventional multilayer structure element have advantages and disadvantages in improving the light detection efficiency R.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、光子との光カップリング性および光吸収性の両方に優れた超伝導単一光子検出素子を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a superconducting single-photon detection element that is excellent in both optical coupling with a photon and light absorption.

また、本発明は、このような超伝導単一光子検出素子の製造方法を提供することも目的とする。   Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing such a superconducting single photon detection element.

更に、本発明は、このような超伝導単一光子検出素子が実装されたSSPDの部品の実装方法を提供することも目的とする。   Another object of the present invention is to provide a method for mounting an SSPD component on which such a superconducting single photon detection element is mounted.

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、
前記基板の裏面側から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1個ずつ検出され、
光カップリング効率が飽和する前記基板の厚み範囲内に、前記基板の厚みが設定されている、超伝導単一光子検出素子を提供する。
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 And a reflection layer formed on the back surface of the substrate,
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 from the back side of the substrate, the photons are detected one by one,
Provided is a superconducting single-photon detection element in which the thickness of the substrate is set within the thickness range of the substrate where the optical coupling efficiency is saturated.

以上の構成により、本発明の光キャビティ構造の超伝導単一光子検出素子では、基板の厚みの設定が適切に行われるので、光カップリング効率の向上に資することができる。その結果、SSPDの光検出効率が従来の積層構造素子よりも向上する。   With the above configuration, in the superconducting single photon detection element having the optical cavity structure of the present invention, the thickness of the substrate is appropriately set, which can contribute to the improvement of the optical coupling efficiency. As a result, the light detection efficiency of SSPD is improved as compared with the conventional stacked structure element.

なお、本発明の超伝導単一光子検出素子では、前記基板の厚みを、前記厚み範囲の最大値付近に設定してもよい。   In the superconducting single photon detection element of the present invention, the thickness of the substrate may be set near the maximum value in the thickness range.

以上の構成により、超伝導単一光子検出素子の基板の機械的な強度を保持する事が可能となる。   With the above configuration, the mechanical strength of the substrate of the superconducting single photon detection element can be maintained.

また、本発明は、酸化マグネシウムからなる基板の表面に窒化ニオブ層をエピタキシャル成長する工程と、前記窒化ニオブ層のパターニングにより、メアンダ状の窒化ニオブ配線を形成する工程と、前記窒化ニオブ配線を覆うようにキャビティ層を形成する工程と、前記キャビティ層上に反射層を形成する工程と、前記基板の裏面を削ることにより、前記基板の厚みを調整する工程と、前記基板の厚みの調整工程の後、前記基板の裏面に反射防止層を形成する工程と、を含む超伝導単一光子検出素子の製造方法を提供する。   The present invention also includes a step of epitaxially growing a niobium nitride layer on the surface of a substrate made of magnesium oxide, a step of forming a meandered niobium nitride wiring by patterning the niobium nitride layer, and covering the niobium nitride wiring. After the step of forming a cavity layer on the substrate, the step of forming a reflective layer on the cavity layer, the step of adjusting the thickness of the substrate by scraping the back surface of the substrate, and the step of adjusting the thickness of the substrate And a step of forming an anti-reflection layer on the back surface of the substrate.

以上の製造方法により、基板の厚みをリアルタイムにモニターしながら基板を削ることできるので、基板を所望の厚さに容易に制御できる。   With the above manufacturing method, the substrate can be shaved while monitoring the thickness of the substrate in real time, so that the substrate can be easily controlled to a desired thickness.

また、本発明は、上記記載の超伝導単一光子検出素子と光伝送手段とを、パッケージブロックに実装する超伝導単一光子検出器の部品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光伝送手段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部品の実装方法を提供する。   The present invention is also a method of mounting a superconducting single photon detector component in which the superconducting single photon detection element and the optical transmission means described above are mounted on a package block, which is formed on the package block. A step of placing a clearance adjustment member in close contact with the dummy substrate in the through-hole by covering the through-hole with a dummy substrate, and inserting the optical transmission means into the through-hole. A step of bringing the tip of the transmission means into contact with the clearance adjustment member, and removing the dummy substrate so that the antireflection layer of the substrate of the superconducting single photon detection element faces the tip of the light transmission means. And a step of covering the through hole with the superconducting single photon detection element.

以上の超伝導単一光子検出素子の部品の実装方法により、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る。   With the above-described method of mounting the superconducting single photon detection element component, 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. .

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部品の実装方法では、前記光伝送手段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。   Further, in the superconducting single photon detector component mounting method of the present invention, the optical transmission means is made of resin material for the package block in a state where the tip of the optical transmission means is in contact with the clearance adjusting member. And a step of fixing.

これにより、光伝送手段が適切に固定され、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部品の実装方法では、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 method of mounting a superconducting single photon detector component according to the present invention, the superconducting single photon detection element is placed 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 a wax.

以上の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、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適切に向上する。   With the above 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.

本発明によれば、光子との光カップリング性および光吸収性の両方に優れた超伝導単一光子検出素子が得られる。   According to the present invention, it is possible to obtain a superconducting single-photon detection element that is excellent in both optical coupling with a photon and light absorption.

また、本発明によれば、このような超伝導単一光子検出素子の製造方法も得られる。   Moreover, according to this invention, the manufacturing method of such a superconducting single photon detection element is also obtained.

更に、本発明によれば、このような超伝導単一光子検出素子が実装されたSSPDの部品の実装方法も得られる。   Furthermore, according to the present invention, a method of mounting an SSPD component on which such a superconducting single photon detection element is mounted is also obtained.

本発明の実施形態の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。It is the figure which showed typically the example of 1 structure of the superconducting single photon detection element of embodiment of this invention. 本発明の実施形態の超伝導単一光子検出素子による光子の検出法の説明に用いる模式図である。It is a schematic diagram used for description of the detection method of the photon by the superconducting single photon detection element of embodiment of this invention. 本発明の実施形態の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。It is sectional drawing which showed each process of the manufacturing method of the superconducting single photon detection element of embodiment of this invention. 本発明の実施形態のSSPDの構成の説明およびSSPDの部品の実装方法の説明に用いる図である。It is a figure used for description of the structure of SSPD of embodiment of this invention, and description of the mounting method of the component of SSPD. 光干渉測定システムの一例を模式的に示したブロック図である。It is the block diagram which showed an example of the optical interference measurement system typically. SSPD(400μm)およびSSPD(45μm)のそれぞれの光検出効率を示した図である。It is the figure which showed each photodetection efficiency of SSPD (400 micrometers) and SSPD (45 micrometers). MgO基板の厚みが薄い場合に光カップリング効率が向上することを説明するための図である。It is a figure for demonstrating that optical coupling efficiency improves when the thickness of a MgO board | substrate is thin. SSPDの光カップリング効率(光検出効率)についてMgO基板の厚み(光路長)の依存性を示した図である。It is the figure which showed the dependence of the thickness (optical path length) of a MgO board | substrate about the optical coupling efficiency (light detection efficiency) of SSPD. 本実施形態の超伝導単一光子検出素子の受光素子が搭載されたMgO基板の研磨に用いる研磨システムを示した図である。It is the figure which showed the grinding | polishing system used for grinding | polishing of the MgO board | substrate with which the light receiving element of the superconducting single photon detection element of this embodiment was mounted. 光ファイバが光ファイバ保持用ブロックに実装された写真を掲載した図である。It is the figure which published the photograph by which the optical fiber was mounted in the block for optical fiber holding. 受光素子が搭載されたMgO基板が素子保持用ブロックに実装された写真を掲載した図である。It is the figure which published the photograph with which the MgO board | substrate with which the light receiving element was mounted was mounted in the element holding block.

以下、本発明の実施形態の超伝導単一光子検出素子100について図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, a superconducting single photon detection element 100 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の実施形態の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。   FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration example of a superconducting single photon detection element 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、本実施形態の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, in the superconducting single photon detection element 100 of this embodiment, photons P are incident from the back side of a magnesium oxide (MgO) single crystal substrate 10 (hereinafter abbreviated as “MgO substrate 10”). It has a back-illuminated optical cavity structure.

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(ここでは、100nm)線幅で所定のピッチ(ここでは、160nm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。受光素子Sのサイズは、例えば、15×15μm角程度にするとよい。   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. The nanowire 13 is formed, for example, at a predetermined pitch (here, 160 nm pitch) with a line width of several tens to several hundreds of nanometers (here, 100 nm), and an appropriate cooling means (eg, GM refrigerator) is used. Used in the superconducting state. For example, the size of the light receiving element S may be about 15 × 15 μm square.

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。また、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) through 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。そして、受光素子Sは、以下に詳述する積層体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. And the light receiving element S is comprised by the laminated body 101 explained in full detail below.

なお、本実施形態の超伝導単一光子検出素子100では、MgO基板10を、例えば、400μm程度の厚板を研磨ことにより、厚みL1が45μm程度の薄板に形成することを特徴とするが、MgO基板10を薄板に形成する理由は後述する。MgO基板10のサイズは、例えば、3mm角程度にするとよい。   The superconducting single photon detection element 100 of the present embodiment is characterized in that the MgO substrate 10 is formed into a thin plate having a thickness L1 of about 45 μm by polishing a thick plate of about 400 μm, for example. The reason for forming the MgO substrate 10 in a thin plate will be described later. The size of the MgO substrate 10 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”)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。   The antireflection layer 14 is made of an amorphous fluororesin (product name “Cytop”, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), has a thickness of about 200 to 300 nm, and is used when the photons P enter the light receiving element S. It is a non-reflective coating layer that prevents reflection.

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、本実施形態の超伝導単一光子検出素子による光子の検出法の説明に用いる模式図である。   FIG. 2 is a schematic diagram used for explaining a photon detection method by the superconducting single photon detection element of the present embodiment.

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. Will occur. 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、上述のとおり、受光素子Sの検出可能領域を可能な限り広げて、光子Pとの光カップリングを容易にするよう、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, as described above, the nanowire 13 is formed so that the detectable region of the light receiving element S is expanded as much as possible to facilitate optical coupling with the photon P. Although it is formed in a meander shape, meander-type nanowires are also described in the above-mentioned known documents and the above-mentioned Non-Patent Document 1. 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 the method of manufacturing the superconducting single photon detecting element according to 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(100)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, solid nitride is formed on the (100) surface (front surface) of a mother substrate 10A (hereinafter referred to as “MgO substrate 10A”) made of single crystal magnesium oxide (MgO) and having a thickness of about 400 μm. The niobium layer 13A 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。   Next, although not shown, 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.

これにより、厚みL1が45μm程度のMgO基板10(図1参照)が得られる。   Thereby, the MgO substrate 10 (see FIG. 1) having a thickness L1 of about 45 μm 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の部品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 mounting method of the components of 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、光ファイバ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 fiber 23 (optical transmission means), and a superconducting single photon detecting element 100. .

光ファイバ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 fiber 23 includes an optical fiber core wire 23A having a fiber core diameter (diameter) of about 9 μm and a ferrule 23B (optical connector) that covers 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、光ファイバ保持用ブロック21の中央部には、光ファイバ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、厚みが約20μm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 21C is formed at the center of the optical fiber holding block 21 to such an extent that the ferrule 23B of the optical fiber 23 can be inserted. Further, the central portion of the element holding block 20 has a penetration that is larger than the outer dimension of the film-like clearance adjustment member 25 having a thickness of about 20 μm and smaller than the outer dimension of the dummy flat substrate 26 (dummy substrate). A 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と光ファイバ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面を参照しながら説明する。   Next, a mounting method of components of the SSPD 200 for mounting the superconducting single photon detection element 100 and the optical fiber 23 on the package block 22 will be described with reference to the drawings.

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と光ファイバ保持用ブロック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、光ファイバ保持用ブロック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および光ファイバ保持用ブロック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, the fixing bolts (not shown) are provided so that the end surface 20B of the element holding block 20 and the end surface 21A of the optical fiber holding block 21 are in close contact with each other. Thus, the package block 22 is used. In this case, the element holding block 20 and the optical fiber holding block are arranged so that the central axis of the through hole 21C of the optical fiber holding block 21 and the central axis of the through hole 20C of the element holding block 20 substantially coincide with each other. The 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、光ファイバ23から光を出射されることにより、受光素子Sの面内方向の光ファイバ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, by emitting light from the optical fiber 23, the position between the light receiving element S and the optical fiber 23 in the in-plane direction can be adjusted by visual observation of the emitted light. .

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内に光ファイバ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 adjusting member 25 by inserting the ferrule 23B of the optical fiber 23 into the through holes 21C and 20C.

次いで、図4(c)に示すように、光ファイバ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、光ファイバ保持用ブロック21にエポキシ樹脂24を用いて固定する。これにより、光ファイバ23が、光ファイバ保持用ブロック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. 4 (c), the ferrule 23B of the optical fiber 23 is in contact with the clearance adjustment member 25, and the rear portion of the ferrule 23B is used and the epoxy resin 24 is used for the optical fiber holding block 21. And fix. Thereby, the optical fiber 23 is appropriately fixed to the optical fiber 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)が光ファイバ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 fiber 23.

以上のSSPD200の部品の実装方法により、MgO基板10(反射防止層14)とフェルール23Bの先端(ファイバ端)との間の距離に相当するクリアランスL2が、適量(ここでは、約20μm)に調整されたSSPD200が得られる。   By the above-described mounting method of the components of SSPD 200, the clearance L2 corresponding to the distance between the MgO substrate 10 (antireflection layer 14) and the tip of the ferrule 23B (fiber end) is adjusted to an appropriate amount (here, about 20 μm). The obtained SSPD 200 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技術(詳細な説明は省略)と比べ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 packaging type SSPD 200 does not require an expensive stage as compared with a nano-stage type mounting technology (detailed description 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.

なお、MgO基板10の厚みL1の調整およびクリアランスL2の調整により、超伝導単一光子検出素子100の光検出効率R(光カップリング効率Pc)が改善できるが、この理由は後述する。   The light detection efficiency R (optical coupling efficiency Pc) of the superconducting single photon detection element 100 can be improved by adjusting the thickness L1 of the MgO substrate 10 and the clearance L2, and this reason will be described later.

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 superconducting single photon detection element 100 is put on through hole 20C, MgO substrate 10 of superconducting single photon detection element 100 is fixed to element holding block 20 using electron wax (details will be described later). Then, since the heat conductivity between both can be improved, it is convenient. 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.

次に、本実施形態の超伝導単一光子検出素子100の光カップリング効率Pc(光検出効率R)の、MgO基板10の厚みL1の依存性について説明する。   Next, the dependence of the optical coupling efficiency Pc (light detection efficiency R) of the superconducting single photon detection element 100 of this embodiment on the thickness L1 of the MgO substrate 10 will be described.

まず、MgO基板10Aを用いたSSPD(以下、「SSPD(400μm)」と略す)において、光検出効率Rの実測を行い、その後、当該MgO基板10Aの裏面を研磨することにより、MgO基板10を用いたSSPD(以下、「SSPD(45μm)」と略す)において、再び光検出効率Rの実測を行った。   First, in SSPD using the MgO substrate 10A (hereinafter, abbreviated as “SSPD (400 μm)”), the light detection efficiency R is measured, and then the back surface of the MgO substrate 10A is polished to thereby remove the MgO substrate 10. In the used SSPD (hereinafter abbreviated as “SSPD (45 μm)”), the light detection efficiency R was measured again.

なお、以上のSSPD(400μm)およびSSPD(45μm)では、反射防止層14を配していない。これにより、両者の光検出効率Rが簡易に比較できる。   In the above SSPD (400 μm) and SSPD (45 μm), the antireflection layer 14 is not provided. Thereby, both light detection efficiency R can be compared easily.

また、光検出効率Rの実測に先立って、公知の光干渉測定技術により、SSPD(400μm)およびSSPD(45μm)のそれぞれの厚みL1およびクリアランスL2が、所望の値になっていることを確認した。   Prior to the actual measurement of the light detection efficiency R, it was confirmed that the thickness L1 and the clearance L2 of the SSPD (400 μm) and the SSPD (45 μm) had the desired values by a known optical interference measurement technique. .

例えば、図5に、光干渉測定システム300の一例が示されている。   For example, FIG. 5 shows an example of an optical interference measurement system 300.

図5の光干渉測定システム300では、波長可変レーザ41により波長が異なる入射光が、光サーキュレータ42を通ってSSPDに入射する。すると、この入射光は、光ファイバ23の端面、MgO基板10、10Aの表面、および、MgO基板10、10Aの裏面で反射する。そして、この反射光は、光サーキュレータ42を通って光パワーメータ40に入り、ここで、反射光の強度が測定される。   In the optical interference measurement system 300 of FIG. 5, incident light having different wavelengths by the wavelength tunable laser 41 enters the SSPD through the optical circulator 42. Then, the incident light is reflected by the end face of the optical fiber 23, the surfaces of the MgO substrates 10 and 10A, and the back surfaces of the MgO substrates 10 and 10A. The reflected light passes through the optical circulator 42 and enters the optical power meter 40, where the intensity of the reflected light is measured.

このようにして、光ファイバ23の端面、MgO基板10、10Aの表面、および、MgO基板10、10Aの裏面において反射された反射光の光干渉が起こり、光干渉による反射光の強度の変動からSSPD(400μm)およびSSPD(45μm)における厚みL1およびクリアランスL2を確認できる。   In this way, optical interference of the reflected light reflected on the end face of the optical fiber 23, the surfaces of the MgO substrates 10 and 10A, and the back surface of the MgO substrates 10 and 10A occurs, and the intensity of the reflected light varies due to the optical interference. The thickness L1 and clearance L2 in SSPD (400 μm) and SSPD (45 μm) can be confirmed.

図6は、SSPD(400μm)およびSSPD(45μm)のそれぞれの光検出効率を示した図である。   FIG. 6 is a diagram showing the light detection efficiencies of SSPD (400 μm) and SSPD (45 μm).

図6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6の縦軸には、光検出効率R(%)が取られている。   A dark count (c / s; count / second) corresponding to the noise of the system is taken on the horizontal axis in FIG. 6, and a light detection efficiency R (%) is taken on the vertical axis in FIG.

図6に示すように、ある所望の暗計数(10c/s)において、SSPD(400μm)の光検出効率Rが0.5%であったのに対し、SSPD(45μm)の光検出効率Rが2.1%であった。また、図6から容易に理解できるとおり、全ての暗計数に亘って、SSPD(45μm)の光検出効率RがSSPD(400μm)の光検出効率Rよりも高くなっている。 As shown in FIG. 6, at a desired dark count (10 2 c / s), the light detection efficiency R of SSPD (400 μm) was 0.5%, whereas the light detection efficiency of SSPD (45 μm). R was 2.1%. Further, as can be easily understood from FIG. 6, the light detection efficiency R of SSPD (45 μm) is higher than the light detection efficiency R of SSPD (400 μm) over all dark counts.

以上の検討実験により、MgO基板の厚みL1が薄いと、光検出効率Rが向上することが分かった。これは、光ファイバ23のファイバ端(コア径:約9μm)から出射する光がガウシアンビーム形状により近似できるとすると、図7に示す如く、このガウシアンビームの広がりに基づいて理解できる。   From the examination experiment described above, it was found that the light detection efficiency R is improved when the thickness L1 of the MgO substrate is thin. This can be understood based on the spread of the Gaussian beam, as shown in FIG. 7, assuming that the light emitted from the fiber end (core diameter: about 9 μm) of the optical fiber 23 can be approximated by the Gaussian beam shape.

つまり、SSPD(400μm)では、図7(a)に示すように、光ファイバ23のファイバ端と受光素子Sとの間の距離が長いので(L1+L2=420μm)、ガウシアンビームの一部(裾近傍の光)が、受光素子Sに入射できない。このため、SSPD(400μm)の光検出効率Rが低めになると考えられる。   That is, in SSPD (400 μm), as shown in FIG. 7A, since the distance between the fiber end of the optical fiber 23 and the light receiving element S is long (L1 + L2 = 420 μm), a part of the Gaussian beam (near the tail) Cannot enter the light receiving element S. For this reason, it is considered that the light detection efficiency R of SSPD (400 μm) is lowered.

これに対して、SSPD(45μm)では、図7(b)に示すように、光ファイバ23のファイバ端と受光素子Sとの間の距離が短いので(L1+L2=65μm)、ガウシアンビームの全体が、受光素子Sに入射できる。このため、SSPD(45μm)の光検出効率Rが高めになると考えられる。   In contrast, in SSPD (45 μm), the distance between the fiber end of the optical fiber 23 and the light receiving element S is short (L1 + L2 = 65 μm) as shown in FIG. The light can enter the light receiving element S. For this reason, it is considered that the light detection efficiency R of SSPD (45 μm) is increased.

このように、SSPD200の光検出効率Rの改善には、MgO基板10の厚みL1の調整、および、クリアランスL2の調整が重要である。MgO基板10の厚みL1の調整は、MgO基板10Aの研磨法(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に示した実装方法により適切に行える。そして、これらの厚みL1およびクリアランスL2は、図5に示した光干渉測定システム300により適切に管理できる。   Thus, adjustment of the thickness L1 of the MgO substrate 10 and adjustment of the clearance L2 are important for improving the light detection efficiency R of the SSPD 200. The thickness L1 of the MgO substrate 10 can be adjusted appropriately by a polishing method (described later) of the MgO substrate 10A. The clearance L2 can be adjusted appropriately by the mounting method shown in FIG. The thickness L1 and the clearance L2 can be appropriately managed by the optical interference measurement system 300 shown in FIG.

次に、以下の検討実験および理論計算が行われた。   Next, the following examination experiment and theoretical calculation were performed.

図8は、SSPDの光カップリング効率(光検出効率)についてMgO基板の厚み(光路長)の依存性を示した図である。   FIG. 8 is a diagram showing the dependency of the thickness (optical path length) of the MgO substrate on the optical coupling efficiency (light detection efficiency) of SSPD.

本検討実験では、MgO基板10Aを徐々に研磨することにより、厚みL1が400μm、200μm、100μm、45μmとなるMgO基板を用いた4個のSSPDが製造された。   In this examination experiment, four SSPDs using MgO substrates having thicknesses L1 of 400 μm, 200 μm, 100 μm, and 45 μm were manufactured by gradually polishing the MgO substrate 10A.

なお、クリアランスL2を20μmに固定していること、および、反射防止層14を配していないこと、および、厚みL1およびクリアランスL2の確認に光干渉測定システム300を用いていることは、図6において述べた検討実験と同じである。   Note that the clearance L2 is fixed to 20 μm, the antireflection layer 14 is not disposed, and the optical interference measurement system 300 is used to confirm the thickness L1 and the clearance L2. This is the same as the examination experiment described in.

そして、上記各SSPDの光カップリング効率Pc(光検出効率R)の測定が行われ、MgO(400μm)、MgO(200μm)、MgO(100μm)およびMgO(45μm)としたプロット(図8の●印)が、図8中において各光カップリング効率Pc(光検出効率R:但し、実測データを規格化)として示されている。   Then, the optical coupling efficiency Pc (light detection efficiency R) of each SSPD was measured and plotted as MgO (400 μm), MgO (200 μm), MgO (100 μm), and MgO (45 μm) (● in FIG. 8). In FIG. 8, each light coupling efficiency Pc (light detection efficiency R: where actual measurement data is normalized) is shown.

なお、図8の横軸には、光ファイバ23のファイバ端から受光素子Sまでの光路長(伝搬距離)が取られているが、これは、MgO基板(MgOの屈折率:1.8)の厚みL1との間で下記式(2)の如く対応している。   The horizontal axis in FIG. 8 represents the optical path length (propagation distance) from the fiber end of the optical fiber 23 to the light receiving element S. This is the MgO substrate (refractive index of MgO: 1.8). The following equation (2) corresponds to the thickness L1.

光路長=L2(20μm)+L1/1.8・・・・(2)       Optical path length = L2 (20 μm) + L1 / 1.8 (2)

また、光ファイバ23のファイバ端から出射する光をガウシアンビーム形状に近似した場合、ガウシアンビーム近似からの光カップリング効率Pc(光検出効率R)の理論計算が、以下のように行われ、計算結果のプロファイルが図8に示されている(図8の点線参照)。   When the light emitted from the fiber end of the optical fiber 23 is approximated to a Gaussian beam shape, the theoretical calculation of the optical coupling efficiency Pc (light detection efficiency R) from the Gaussian beam approximation is performed as follows. The resulting profile is shown in FIG. 8 (see dotted line in FIG. 8).

光ファイバ23のファイバ端でのモードフィールド径(MFD)をωとすると、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)の場合、ωが10.4μm程度となる。 When the mode field diameter (MFD) at the fiber end of the optical fiber 23 is ω 0 , ω 0 is 10.4 μm in the case of a single-mode optical fiber (SMF) for a communication path having a communication wavelength of 1550 nm most suitable for optical fiber transmission. It will be about.

このとき、ガウシアンビームが光路長(伝搬距離)Xだけ伝搬した場合の、ガウシアンビームの半径は、下記式(3)で表される。   At this time, the radius of the Gaussian beam when the Gaussian beam propagates by the optical path length (propagation distance) X is expressed by the following equation (3).

・・・・(3) .... (3)

更に、光路長(伝搬距離)Xにおける垂直面内での半径rの円内におけるガウシアンビームのパワーは近似的に下記式(4)で表される。   Further, the power of the Gaussian beam in a circle having a radius r in the vertical plane at the optical path length (propagation distance) X is approximately expressed by the following equation (4).

・・・・(4) .... (4)

受光素子Sの受光面積が15×15μm角の場合、式(4)において、r=10.7μmの円内として、光路長(伝搬距離)Xに対する光カップリング効率Pcの計算を行い、その計算結果が図8の点線に示されている。   When the light receiving area of the light receiving element S is 15 × 15 μm square, the optical coupling efficiency Pc with respect to the optical path length (propagation distance) X is calculated in the equation (4) within the circle of r = 10.7 μm. The result is shown by the dotted line in FIG.

以上の検討により、プロット(図8の●印)の変化と、理論計算のプロファイル(図8の点線)と、がほぼ一致することが分かる。その結果、図8に示すように、光カップリング効率Pc(光検出効率R)が飽和するMgO基板の好適な基板厚み範囲「L1opt」が存在するという知見を得ることができた。例えば、MgO基板の厚みL1が45μmの場合(厚み範囲「L1opt」の最大値付近の場合)でも、光カップリング効率Pc(光検出効率R)は99%以上に達すると予測される。   From the above examination, it can be seen that the change in the plot (marked with ● in FIG. 8) and the theoretical calculation profile (dotted line in FIG. 8) almost coincide. As a result, as shown in FIG. 8, it was possible to obtain knowledge that there is a suitable substrate thickness range “L1opt” of the MgO substrate in which the optical coupling efficiency Pc (light detection efficiency R) is saturated. For example, even when the thickness L1 of the MgO substrate is 45 μm (in the vicinity of the maximum value of the thickness range “L1opt”), the optical coupling efficiency Pc (light detection efficiency R) is predicted to reach 99% or more.

以上のとおり、本実施形態の光キャビティ構造の超伝導単一光子検出素子100では、MgO基板10の厚みを光カップリング効率Pc(光検出効率R)が飽和する好適な基板厚み範囲「L1opt」内に設定することにより、光カップリング効率Pcの向上に資することができる。その結果、SSPD200の光検出効率Rが従来の積層構造素子よりも向上する。   As described above, in the superconducting single photon detection element 100 having the optical cavity structure of the present embodiment, the preferred substrate thickness range “L1opt” in which the optical coupling efficiency Pc (light detection efficiency R) is saturated with the thickness of the MgO substrate 10. By setting it in, it can contribute to the improvement of the optical coupling efficiency Pc. As a result, the light detection efficiency R of the SSPD 200 is improved as compared with the conventional stacked structure element.

特に、超伝導単一光子検出素子100のMgO基板10の機械的な強度を考慮すると、MgO基板10の厚みを、この基板厚み範囲「L1opt」の最大値付近(ここでは、45μm程度)に設定することが好ましい。   In particular, considering the mechanical strength of the MgO substrate 10 of the superconducting single-photon detection element 100, the thickness of the MgO substrate 10 is set near the maximum value of this substrate thickness range “L1opt” (here, about 45 μm). It is preferable to do.

なお、本明細書においては、本実施形態の超伝導単一光子検出素子100の用途として、量子通信分野を挙げたが、これはあくまで一例に過ぎない。この超伝導単一光子検出素子100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 the present specification, the quantum communication field has been cited as an application of the superconducting single photon detection element 100 of the present embodiment, but this is merely an example. This superconducting single photon detection element 100 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 field of quantum communication.

以下、MgO基板10Aの研磨法の一例および本実施形態の超伝導単一光子検出素子100の実装例について述べる。   Hereinafter, an example of a polishing method for the MgO substrate 10A and a mounting example of the superconducting single photon detection element 100 of the present embodiment will be described.

(MgO基板10Aの研磨法)
図9は、本実施形態の超伝導単一光子検出素子の受光素子が搭載されたMgO基板の研磨に用いる研磨システムを示した図である。
(Polishing method of MgO substrate 10A)
FIG. 9 is a diagram showing a polishing system used for polishing an MgO substrate on which the light receiving element of the superconducting single photon detection element of this embodiment is mounted.

図9に示すように、受講素子S(図9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. 9, the MgO substrate 10 </ b> A on which the attendance element S (not shown in FIG. 9) is mounted is set on the pedestal 61. 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 by the micrometer 62 in real time.

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:120 rpm
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)
Polishing machine: ALLIED MULTI PREP TM (Trademark) system Polishing sheet 60: ALLIED DIAMOND LAPPING FILM (8-inch DISK),
Diamond particle size in polishing sheet 60: 3 μm or 5 μm
Stage rotation speed: 120 rpm
Polishing rate: 3 μm / min (when using 5 μm polishing sheet 60)
: 1 μm / min (when using 3 μm polishing sheet 60)

以上のMgO基板10Aの研磨法によれば、MgO基板10Aの厚みL1をリアルタイムにモニターしながらMgO基板10A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。   According to the above polishing method of the MgO substrate 10A, the MgO substrate 10A can be polished while monitoring the thickness L1 of the MgO substrate 10A in real time, so that the MgO substrate 10A can be easily controlled to a desired thickness.

(SSPD200の実装例)
図10では、光ファイバ23が光ファイバ保持用ブロック21に実装された写真が掲載されている。
(Installation example of SSPD200)
In FIG. 10, a photograph in which the optical fiber 23 is mounted on the optical fiber holding block 21 is shown.

また、図11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. 11 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に示したSSPD200では、パーケージング方式の実装技術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。   The SSPD 200 shown in FIG. 10 is configured in a compact manner using a packaging method using a parsing 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11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、この凹部内にMgO基板10が嵌め込まれている。そして、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、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適切に向上する。   As shown in FIG. 11, 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 the MgO substrate 10 is fitted into the recess. Electron wax 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.

本発明によれば、光子との光カップリング性および光吸収性の両方に優れた超伝導単一光子検出素子が得られる。   According to the present invention, it is possible to obtain a superconducting single-photon detection element that is excellent in both optical coupling with a photon and light absorption.

よって、本発明は、例えば、光ファイバ伝送に最も適した通信波長での光カップリング効率の向上により、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 be used as a detection element in the field of quantum communication such as quantum cryptography communication, for example, by improving optical coupling efficiency at a communication wavelength most suitable for optical fiber transmission.

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 光ファイバ保持用ブロック
22 パーケージブロック
23 光ファイバ
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
40 光パワーメータ
41 波長可変レーザ
42 光サーキュレータ
50 エレクトロンワックス
60 研磨シート
61 台座
62 マイクロメータ
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 SSPD
300 光干渉測定システム
L1 MgO基板の厚み
L2 クリアランス
L1opt 基板厚み範囲
S 受光素子
P 光子
R 光検出効率
Pc 光カップリング効率
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 fiber holding block 22 Package block 23 Optical fiber 23A Optical fiber core wire 23B Ferrule 24 Epoxy Resin 25 Clearance adjustment member 26 Flat substrate 40 Optical power meter 41 Wavelength variable laser 42 Optical circulator 50 Electron wax 60 Polishing sheet
61 Pedestal 62 Micrometer 101 Laminate 102 Photoresist 103 Photoresist Window 100 Superconducting Single Photon Detector 200 SSPD
300 Optical Interference Measurement System L1 MgO Substrate Thickness L2 Clearance L1opt Substrate Thickness Range S Photodetector P Photon R Photodetection Efficiency Pc Optical Coupling Efficiency

Claims (6)

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、
前記基板の裏面側から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1個ずつ検出され、
光カップリング効率が飽和する前記基板の厚み範囲内に、前記基板の厚みが設定されている、超伝導単一光子検出素子。
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;
An antireflection layer formed on the back surface of the substrate;
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 from the back side of the substrate, the photons are detected one by one,
A superconducting single photon detection element in which the thickness of the substrate is set within the thickness range of the substrate where the optical coupling efficiency is saturated.
前記基板の厚みは、前記厚み範囲の最大値付近に設定されている、請求項1に記載の超伝導単一光子検出素子。   The superconducting single photon detection element according to claim 1, wherein the thickness of the substrate is set near a maximum value in the thickness range. 酸化マグネシウムからなる基板の表面に窒化ニオブ層をエピタキシャル成長する工程と、
前記窒化ニオブ層のパターニングにより、メアンダ状の窒化ニオブ配線を形成する工程と、
前記窒化ニオブ配線を覆うようにキャビティ層を形成する工程と、
前記キャビティ層上に反射層を形成する工程と、
前記基板の裏面を削ることにより、前記基板の厚みを調整する工程と、
前記基板の厚みの調整工程の後、前記基板の裏面に反射防止層を形成する工程と、
を含む超伝導単一光子検出素子の製造方法。
Epitaxially growing a niobium nitride layer on the surface of a substrate made of magnesium oxide;
Forming a meandering niobium nitride wiring by patterning the niobium nitride layer;
Forming a cavity layer so as to cover the niobium nitride wiring;
Forming a reflective layer on the cavity layer;
Adjusting the thickness of the substrate by scraping the back surface of the substrate;
After the step of adjusting the thickness of the substrate, a step of forming an antireflection layer on the back surface of the substrate;
A method of manufacturing a superconducting single photon detecting element including:
請求項1または2に記載の超伝導単一光子検出素子と光伝送手段とを、パッケージブロックに実装する超伝導単一光子検出器の部品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光伝送手段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部品の実装方法。
A method of mounting a superconducting single photon detector component, wherein the superconducting single photon detection element and the optical transmission means according to claim 1 or 2 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 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 so that the antireflection layer of the substrate of the superconducting single photon detection element faces the tip of the optical transmission means; ,
A method of mounting a superconducting single photon detector component comprising:
前記光伝送手段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む請求項4に記載の超伝導単一光子検出器の部品の実装方法。   5. The superconducting single photon detection according to claim 4, further comprising a step of fixing the optical transmission means to the package block using a resin material in a state where the tip of the optical transmission means is in contact with the clearance adjusting member. How to mount the parts of the container. 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エレクトロンワックスを用いて固定する工程を更に含む請求項4に記載の超伝導単一光子検出器の部品の実装方法。   5. The superconducting single unit according to claim 4, further comprising a step of fixing the superconducting single photon detecting element to the package block using electron wax after the superconducting single photon detecting element is put on the through hole. Mounting method for one-photon detector components.
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