JP2011176159A - 超伝導単一光子検出器および超伝導単一光子検出器の実装方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】超伝導単一光子検出器200は、酸化マグネシウムからなる基板10と、基板10の表面に形成された窒化ニオブ配線13と、窒化ニオブ配線13上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、基板10の裏面に形成された反射防止層14と、を有する超伝導単一光子検出素子100と、
光ファイバ72と、光ファイバ72の先端に調芯融着されたレンズ75と、を有する光伝送手段23と、を備える。そして、レンズ75からの出射光が、窒化ニオブ配線13において所定のビームウェスト直径2ωoとなるよう、レンズ75の先端から窒化ニオブ配線13までの距離が調整されている。
【選択図】図4
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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。
(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。
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。
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
Claims (5)
- 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。 - 前記距離の調整は、前記基板の裏面を削ることにより行われる請求項1に記載の超伝導単一光子検出器。
- 請求項1に記載の超伝導単一光子検出素子と請求項1に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。 - 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む請求項3に記載の超伝導単一光子検出器の実装方法。
- 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を用いて固定する工程を更に含む請求項3または4に記載の超伝導単一光子検出器の実装方法。
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