JP2018074026A - 超伝導単一光子検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】所定の受光面領域内により多くの配線成分を配設することができる超伝導単一光子検出器を提供する。【解決手段】受光配線は、受光面領域内における所定の第１方向に延びる複数の第１配線成分と、それぞれの一端部が一の第１配線成分の第１端部に接続され、それぞれの他端部が他の第１配線成分の第２端部に接続される複数の第２配線成分と、を備え、第１配線成分と第２配線成分とが交互に直列接続された状態で、複数の第１配線成分が第１方向に直交する第２方向に並ぶように配設され、複数の第１配線成分は、それぞれ、第１端部と第２端部との間に延びる２以上の所定数の並列配線部と、第１端部および第２端部のそれぞれにおいて所定数の並列配線部が合流する端部合流部と、第１端部と第２端部との間の所定箇所において所定数の並列配線部同士を接続する少なくとも１つの線間合流部と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、超伝導単一光子検出器に関する。

超伝導単一光子検出器（Superconducting Single Photon Detector、以下ＳＳＰＤと略する場合がある）は、高感度、低雑音かつ高速動作可能な単一光子検出器として量子情報通信、量子光学など様々な分野への利用が期待されている（例えば非特許文献１，２参照）。特に、量子暗号鍵配送試験や量子もつれ実験等でＳＳＰＤを利用することにより、従来の半導体アバランシェフォトダイオードなどの光子検出器ではなし得なかった、極めて高精度な検出結果が得られるようになってきている。ＳＳＰＤにおいて単一光子を検出する検出素子としては所定の受光面領域に配置された配線状の受光部（以下、受光配線という）が用いられる。この受光配線は、ナノワイヤと呼ばれ、例えば窒化ニオブ（ＮｂＮ）からなる窒化ニオブ配線により形成され、超伝導状態で使用される。

このような受光配線の検出効率（入射した光子数に対してＳＳＰＤが出力した応答パルス数の割合）を上げるために、低いエネルギーギャップを有する超伝導材料を受光配線材料として採用したり、受光配線の幅を狭くすることが考えられる。このとき、従来の受光配線は、図４（ａ）に示すように、一本の配線成分１２１が受光面領域にメアンダ状（蛇行形状）に配設されることにより構成されている。しかし、何れの場合も受光配線における超伝導臨界電流値が低下するため、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）およびタイミングジッタが悪化する。また、受光配線の幅を狭くしつつ所定の受光面領域における受光配線の占有率を上げるためには、受光配線の長さを長くする必要が生じる。したがって、受光配線のインダクタンス成分が大きくなり、応答速度が低下する。

このような課題に対して、下記非特許文献１のようなアバランシェ型超伝導ナノワイヤ光子検出器（Superconducting Nanowire Avalanche Photon detector、以下ＳＮＡＰと略する場合がある）が提案されている。非特許文献１におけるＳＮＡＰは、図４（ｂ）に示すように、直線状の配線成分１２２がＮ個並列に接続された配線部１２３と、当該配線部１２３に直列接続されたインダクタ１２４とを有している。インダクタ１２４のインダクタンスにより、光子が直線状の配線成分１２２に入射された場合に、アバランシェ現象を引き起こし、従来のＳＳＰＤに比べてＮ倍の出力電圧を得ることができる。この結果、Ｓ／Ｎ比が向上するとともに、受光配線自体のインダクタンス成分は１／Ｎ^２となる。しかし、インダクタ１２４を別途接続する必要があるため、抜本的な速度向上は見込めない。

これに対して、図４（ｃ）に示すように、ＳＮＡＰにおける上記配線部１２３を直列に複数段（Ｋ段）接続することにより、インダクタ１２４を不要とする直列型のＳＮＡＰ１２５が提案されている（例えば下記非特許文献２）。これによれば、一の配線部１２３に対して他の配線部１２３がインダクタンス成分として機能するため、インダクタ１２４を別途接続する必要がなくなり、Ｓ／Ｎ比の向上を図りつつ応答速度の低下を防止することができる。しかし、各配線部１２３において並列配置する直線状の配線成分１２２の数Ｎを大きくするとアバランシェ現象が生じ難くなってしまうため、当該数Ｎは２または３程度が現実的な値となる。これに関して非特許文献２には、直線状の配線成分１２２の数Ｎを２または３に抑えつつ電圧利得および応答速度をさらに高めるために、図４（ｄ）に示すように、直列型のＳＮＡＰ１２５をＭ個並列に接続した並列ユニット１２６をさらに複数段（Ｌ段）接続した多段のＳＮＡＰ１２７が提案されている。これによれば従来の線状のＳＳＰＤ（一本の配線成分１２１）に対してＮ×Ｍ倍の電圧利得を得ることができるとともに受光配線のインダクタンス成分を１／（Ｎ×Ｍ）^２に抑えることができる。

このような直列型のＳＮＡＰ１２５，１２７を実用化するための受光配線の配置例は、下記非特許文献３および４に提案されている。すなわち、これらの文献には、図５に示すように、直列型のＳＮＡＰ１２５を従来のようにメアンダ状（蛇行形状）に配設することにより受光面領域に対する受光配線の占有率を高めるような構成が開示されている。この際、直線状の配線成分１２２を並列配置した上でメアンダ状に配設する受光配線の折り返し部分１２８で合流させている。

Ejrnaes, Cristiano, Quaranta, Pagano, Gaggero, Mattioli, Leoni, Voronov, Gol'tsman, "A cascade switching superconducting single photon detector", Appl. Phys. Lett. 91, 262509 (2007) Cristiano, Ejrnaes, Casaburi, Pagano, Mattioli, Gaggero, Leoni, "Superconducting single photon detectors based on multiple cascade switches of parallel NbN nanowires", spie 807205-807205-6 (2011) Najafi, Dane, Bellei, Zhao, Sunter, McCaughan, Berggren, " Fabrication Process Yielding Saturated Nanowire Single-Photon Detectors With 24-ps Jitter", IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, 21, NO. 2, 3800507 (2015) Cristiano, Ejrnaes, Casaburi, Zen, Ohkubo, "Superconducting nano-strip particle detectors", IOP Publishing Supercond. Sci. Technol. 28 124004 (15pp) (2015)

しかしながら、多段のＳＮＡＰを実現しようとすると、直線状の配線成分の数が膨大になるため、所定の受光面領域内に配設し切れないという問題がある。例えば、Ｎ＝３，Ｋ＝９，Ｍ＝３，Ｌ＝９の多段のＳＮＡＰを実現する場合、直線状の配線成分は、Ｎ×Ｋ×Ｍ×Ｌ＝７２９本必要となる。直線状の配線成分の線幅を１００ｎｍとし、並列配置する直線状の配線成分の配設周期を２００ｎｍとすると、この多段のＳＮＡＰを配設するために必要な受光面領域の一辺は、２００ｎｍ×７２９本＝１４５．８μｍとなる。一般的なＳＳＰＤ素子の受光面領域の一辺は、５０μｍ程度であり、上記のような多段のＳＮＡＰを既存の受光面領域に配設することは困難である。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、所定の受光面領域内により多くの配線成分を配設することが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。

上記課題を解決するため、本発明の一態様における超伝導単一光子検出器は、所定の受光面領域に配設される受光配線を備え、前記受光配線を超伝導状態とし、所定のバイアス電流経路から当該受光配線にバイアス電流を流すことで、前記受光面領域に入射される単一光子を検出する超伝導単一光子検出器であって、前記受光配線は、前記受光面内における所定の第１方向に延びる複数の第１配線成分と、それぞれの一端部が一の前記第１配線成分の第１端部に接続され、それぞれの他端部が他の前記第１配線成分の第２端部に接続される複数の第２配線成分と、を備え、前記第１配線成分と前記第２配線成分とが交互に直列接続された状態で、前記複数の第１配線成分が前記第１方向に直交する第２方向に並ぶように配設され、前記複数の第１配線成分は、それぞれ、前記第１端部と前記第２端部との間に延びる２以上の所定数の並列配線部と、前記第１端部および前記第２端部のそれぞれにおいて前記所定数の並列配線部が合流する端部合流部と、前記第１端部と前記第２端部との間の所定箇所において前記所定数の並列配線部同士を接続する少なくとも１つの線間合流部と、を備えている。

上記構成によれば、線間合流部により、並列配線部の合流部が、受光配線の折り返し部分だけでなく、第１配線成分の第１端部と第２端部との間にも設けられる。これにより、並列接続される直線状の配線成分を第２方向だけでなく第１方向にも配設することができる。したがって、所定の受光面領域内により多くの配線成分を配設することができる。

前記線間合流部は、各並列配線部を前記第１方向に均等に区分するように設けられてもよい。これにより、直線状の配線成分をすべて同じサイズにすることができ、光子の入射位置に応じて応答速度が不均一になるのを防止することができる。

前記線間合流部の前記第１方向の幅は、各並列配線部の前記第２方向の幅より大きくてもよい。これにより、線間合流部によって並列配設部に流すバイアス電流が制限されることを防止することができる。

前記受光配線は、それぞれが、J個（Ｊ≧２）の前記並列配線部を有するＫ個（Ｋ≧２）の前記第１配線成分を有する直列ユニットがＭ個（Ｍ≧２）並列接続されたＮ個（Ｎ≧２）の並列ユニットを有し、前記Ｎ個の並列ユニットに含まれる前記第１配線成分が前記第２方向に並ぶように配置された状態で、前記Ｎ個の並列ユニットが直列接続されていてもよい。これにより、受光面領域における受光配線の占有率を高めつつＳ／Ｎ比の向上および応答速度の向上を図ることができる。

本発明によれば、所定の受光面領域内により多くの配線成分を配設することができる。

図１は、本発明に係る一実施形態における超伝導単一光子検出器の一構成例を模式的に示す平面図である。 図２は、本実施の形態における受光配線の他の配置例を示す平面図である。 図３は、本実施の形態のＳＳＰＤが適用される超伝導単一光子検出システムの構成例を示す概略回路図である。 図４は、従来の超伝導単一光子検出器における受光配線の例を示す平面図である。 図５は、従来の超伝導単一光子検出器における受光配線の例を示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。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。

また、本発明は、以下の実施の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。

図１は、本発明に係る一実施の形態における超伝導単一光子検出器の一構成例を模式的に示す平面図である。図１に示すように、本実施の形態における超伝導単一光子検出器（ＳＳＰＤ）１は、基板（図示せず）と、基板上の所定の受光面領域Ａに配設され、超伝導状態で使用される受光配線（ナノワイヤ）１２とを有している。

受光面領域Ａの平面サイズは、超伝導単一光子検出器１の使用目的に合わせて定められる。例えば、一辺１５μｍ〜５０μｍの正方形状に定められる。

受光配線１２は、適宜の冷却手段（例えばＧＭ製冷凍機）を用いて冷却することにより、超伝導状態で使用される。本実施の形態における受光配線１２は、窒化ニオブ（ＮｂＮ）で形成される。受光配線１２の厚みは例えば５ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。また、基板は、例えばシリコン（Ｓｉ）基板が用いられる。

受光配線１２は、受光面領域Ａの外部で電極（図示せず）と接続されている。電極は、伝送経路（後述する図３における同軸ケーブル４１および同軸線路２４１，３４１）に接続される。受光配線１２は、この伝送経路を介してバイアス源（後述する図３における電流源７１）と接続されており、バイアス源から超伝導臨界電流をわずかに下回る所定のバイアス電流が流れるように構成されている。なお、電極および伝送経路は、受光配線１２との接続箇所において超伝導状態が破壊されるのを防止すべく、受光配線１２と同じ材料により構成することが好ましい。

受光配線１２の受光部Ｃ（後述）に光子（単一光子）が入射すると、受光配線１２における光子が入射した箇所ではギャップエネルギーを超えることになり、その結果、超伝導性が局所的に破壊され、ホットスポットという常伝導領域（高抵抗領域）が発生する。受光配線１２の受光部Ｃを流れる電流は、ホットスポットを迂回するように流れ、当該箇所において流れる電流が局所的に増大する。すると、ホットスポットの周囲を流れる電流は臨界電流を超え、ホットスポットの周囲も常伝導状態になる。このため、常伝導領域は、一時的に、受光配線１２の幅方向全域に亘るように広がる。このようにして、常伝導領域の発生および常伝導領域の超伝導状態への回復過程において受光配線１２の幅方向全域にわたって抵抗変化が生じる。この抵抗変化を伝送経路を通じて検出する。このような抵抗変化は、パルス状の電圧変化（電圧信号変化）として検出される。

以下、受光配線１２の配設態様について説明する。受光配線１２は、受光面領域Ａ内における所定の第１方向Ｘに延びる複数の第１配線成分Ｌ１（ｉ）（ｉ＝１，２，…，ｎ：ｎ≧２）と、それぞれの一端部が一の第１配線成分Ｌ１（ｉ）の第１端部Ｘ１に接続され、それぞれの他端部が他の第１配線成分Ｌ１（ｉ）の第２端部Ｘ２に接続される複数の第２配線成分Ｌ２（ｉ）と、を備えている。複数の第１配線成分Ｌ１（ｉ）は、第１配線成分Ｌ１（ｉ）と第２配線成分Ｌ２（ｉ）とが交互に直列接続された状態で、第１方向Ｘに直交する第２方向Ｙに並ぶように配設される。

複数の第１配線成分Ｌ１（ｉ）は、それぞれ、第１端部と第２端部との間に延びる２以上の所定数Ｊ（Ｊ≧２、図１の例ではＪ＝２）の並列配線部Ｌ１１と、第１端部および第２端部のそれぞれにおいて所定数の並列配線部Ｌ１１が合流する端部合流部Ｌ１２と、第１端部と第２端部との間の所定箇所において所定数の並列配線部Ｌ１１同士を接続する少なくとも１つの線間合流部Ｌ１３と、を備えている。本実施の形態において、１つの第１配線成分Ｌ１（ｉ）あたり２本の並列配線部Ｌ１１が並列に配置される。端部合流部Ｌ１２は、第２配線成分Ｌ２（ｉ）と一体化されており、端部合流部Ｌ１２と第２配線成分Ｌ２（ｉ）とは構造上区別されない。

線間合流部Ｌ１３は、１つの第１配線成分Ｌ１（ｉ）あたり１つ設けられる。これにより、１つの第１配線成分Ｌ１（ｉ）に含まれる２本の並列配線部Ｌ１１のそれぞれが第１方向Ｘにさらに２つの受光部Ｃに分けられる。言い換えると、第１配線成分Ｌ１（ｉ）には、端部合流部Ｌ１２（または線間合流部Ｌ１３）と、線間合流部Ｌ１３と、並列配線部Ｌ１１とで区画される第１方向Ｘに沿った長孔Ｈが設けられる。

したがって、１つの第１配線成分Ｌ１（ｉ）は、４つの直線状の配線成分（受光部Ｃ）を含んでいる。言い換えると、１つの第１配線成分Ｌ１（ｉ）あたり受光部Ｃが第１方向Ｘに２つかつ第２方向Ｙに２つ配置される。

これにより、一の第１配線成分Ｌ１（ｉ）において一の長孔Ｈを挟むように並列配置される一対の受光部Ｃに光子が入射した場合に、当該一対の受光部Ｃに直列接続される他の受光部Ｃによるインダクタンスによって、アバランシェ現象が引き起こされ、光子検出におけるＳ／Ｎ比が向上し、応答速度の低下も防止される。

受光配線１２は、線間合流部Ｌ１３を含む第１配線成分Ｌ１（ｉ）および第２配線成分Ｌ２（ｉ）が一体的に形成される。形成方法は、公知の方法を採用可能である。

上記構成によれば、線間合流部Ｌ１３により、並列配線部Ｌ１１の合流部が、受光配線１２の折り返し部分（端部合流部Ｌ１２）だけでなく、第１配線成分Ｌ１（ｉ）の第１端部と第２端部との間にも設けられる。これにより、並列接続される直線状の配線成分（受光部Ｃ）を第２方向Ｙだけでなく第１方向Ｘにも配設することができる。したがって、同じ数の受光部Ｃを配置する場合であっても、受光配線１２の折り返し部分の数、言い換えると、第１配線成分Ｌ１の数をより少なくすることができる。これにより、所定の受光面領域Ａ内により多くの配線成分（受光部Ｃ）を配設することができる。

本実施の形態において、線間合流部Ｌ１３は、各並列配線部Ｌ１１を第１方向Ｘに均等に区分するように設けられている。より具体的には、１つの直線状の配線成分の第１方向Ｘの長さがすべてＤになっている。これにより、直線状の配線成分（受光部Ｃ）をすべて同じサイズにすることができ、光子の入射位置に応じて応答速度が不均一になるのを防止することができる。

本実施の形態において、線間合流部Ｌ１３の第１方向Ｘの幅Ｗ１３は、各並列配線部Ｌ１１の第２方向Ｙの幅Ｗ１１より大きい。また、第２配線成分Ｌ２（ｉ）の第１方向Ｘの幅Ｗ１２も各並列配線部Ｌ１１の第２方向Ｙの幅Ｗ１１より大きい。受光配線１２に流すことができるバイアス電流の最大値は、直列方向に対して直交する配線幅の最小値に依存する。したがって、線間合流部Ｌ１３または第２配線成分Ｌ２（ｉ）において、受光部Ｃの配線幅合計（Ｗ１１×Ｊ）より短い配線幅となってしまうと、受光部Ｃに流れるバイアス電流が受光部Ｃに流し得るバイアス電流より小さい電流しか流せなくなるため（超伝導臨界電流値が低下するため）、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）が悪化してしまう。

本実施の形態においてはこれを回避するために、線間合流部Ｌ１３の第１方向Ｘの幅Ｗ１３および第２配線成分Ｌ２（ｉ）の第１方向Ｘの幅Ｗ１２を、受光部Ｃの配線幅Ｗ１１のＪ倍より大きくしている。これにより、線間合流部Ｌ１３および第２配線成分Ｌ２（ｉ）によって並列配設部Ｌ１１の受光部Ｃに流すバイアス電流が制限されることを防止することができる。例えば、線間合流部Ｌ１３の第１方向Ｘの幅Ｗ１３および第２配線成分Ｌ２（ｉ）の第１方向Ｘの幅Ｗ２は、受光部Ｃの配線幅Ｗ１１の２倍以上とする。なお、各並列配線部Ｌ１１の第２方向Ｙの幅Ｗ１１（各受光部Ｃの幅）は、すべて等しいことが好ましい。

第１配線成分Ｌ１（ｉ）に形成される長孔Ｈは、角が丸く形成されてもよい。例えば、長孔Ｈは、長円形または楕円形でもよい。

１つの第１配線成分Ｌ１(ｉ)における線間合流部Ｌ１３の数は、いくつでもよい。言い換えると、第１方向Ｘに並ぶ受光部Ｃの数は、いくつでもよい。ただし、線間合流部Ｌ１３の形成箇所は、受光部Ｃより配線幅が大きくなるため、当該箇所に光子が入射されても、受光配線１２の幅方向全域への常伝導領域の形成には至らない。すなわち、線間合流部Ｌ１３の数が増えると、受光配線１２における光子検出面積が小さくなるため、検出効率が低下する。したがって、例えば、線間合流部Ｌ１３の数は、４以下、好ましくは１〜２、すなわち、受光部Ｃの数は、例えば５以下、好ましくは２〜３に設定される。

１つの第１配線成分Ｌ１（ｉ）における並列配線部Ｌ１１の数は、２に限らないが、あまり多いと、アバランシェ効果が生じ難い。すなわち、受光部Ｃ上に光子が入射した場合、光子が入射した受光部Ｃだけでなく、同じ第１配線成分Ｌ１（ｉ）において当該受光部Ｃに並列配置される他の受光部Ｃも常伝導領域に変化しないと、受光配線１２の抵抗変化が生じず、光子を検出することができない。したがって、１つの第１配線成分Ｌ１（ｉ）における並列配線部Ｌ１１の数が多いと、常伝導領域に変化させるべき受光部Ｃの数も多くなり、アバランシェ効果による高い電圧利得を得ることができない。このため、並列配線部Ｌ１１の数は、例えば５以下、好ましくは２または３である。

以下、本実施の形態における受光配線１２を多段の直列型ＳＮＡＰとして形成するための配置例について説明する。図２は、本実施の形態における受光配線の他の配置例を示す平面図である。なお、図２においては、分かり易くするために、第１方向Ｘの縮尺と第２方向Ｙの縮尺とを実際とは変えている。本例において、図１と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。

図２に示す例において、受光配線１２は、互いに直列接続されるＮ個（Ｎ≧２、例えば９個）の並列ユニットＰｘ（ｘ＝１，２，…，Ｎ）を備えている。各並列ユニットＰｘは、互いに並列接続されたＭ個（Ｍ≧２、図２の例では３個）の直列ユニットＱｙ（ｙ＝１，２，…，Ｍ）を備えている。各直列ユニットＱｙは、Ｊ個（Ｊ≧２、図２の例では３個）の並列配線部Ｌ１１を有するＫ個（Ｋ≧２、図２の例では３個）の第１配線成分Ｌ１を有する。また、本例において、線間合流部Ｌ１３は、１つの第１配線成分Ｌ１あたり２つ設けられる。したがって、１つの第１配線成分Ｌ１において、受光部Ｃは、９本設けられている。

受光配線１２は、Ｎ個の並列ユニットＰｘに含まれる複数（Ｊ個×Ｋ個×Ｍ個×Ｎ個、図２の例でＮ＝９とすると３×３×３×９＝２４３本）の第１配線成分Ｌ１が第１方向Ｘに沿った状態で第２方向Ｙに並ぶように配置される。このため、隣接する並列ユニットＰｘを接続する接続部（当該並列ユニットＰｘに属するＭ個の直列ユニットＱｙの合流部）Ｕは、第１配線成分Ｌ１の第１端部Ｘ１側または第２端部Ｘ２側に交互に設けられる。すなわち、例えば、並列ユニットＰ１と並列ユニットＰ２との接続部Ｕが第１配線成分Ｌ１の第１端部Ｘ１側に設けられた場合、並列ユニットＰ２と並列ユニットＰ３との接続部Ｕは、第１配線成分Ｌ１の第２端部Ｘ２側に設けられる。

このように配置することにより、受光部Ｃを、第１方向Ｘに３本、第２方向ＹにＪ×Ｋ×Ｍ×Ｎ本（図２の例においてＮ＝９とすると３×２４３＝７２９本）配置することができる。並列配線部Ｌ１１（受光部Ｃ）の第２方向Ｙの幅Ｗ１１を１００ｎｍとし、並列配線部Ｌ１１間の第２方向Ｙの幅（長孔Ｈの第２方向Ｙの幅および隣り合う第１配線成分Ｌ１間の距離）も１００ｎｍとすると、受光配線１２が要する第２方向の全体幅は、（１００＋１００）ｎｍ×Ｊ×Ｋ×Ｍ×Ｎ本＝４８．６μｍとなる。一般的なＳＳＰＤにおける受光面領域Ａの一辺は５０μｍ程度であるため、図２の例に示す受光配線１２を受光面領域Ａに配置することは現実的といえる。

一方、折り返し部（本実施の形態における第２配線成分Ｌ２）のみで受光部を合流させる従来の構成において、同じ７２９本の受光部を配置するためには、受光配線が要する第２方向の全体幅は、（１００＋１００）ｎｍ×７２９本＝１４５．８μｍとなる。したがって、一般的なＳＳＰＤにおける受光面領域Ａに収めることはできず、現実的ではない。

より一般的な数式を用いて従来の構成と本実施の形態における構成とを比較する。従来の折り返し部のみで受光部を合流させる構成において、図２に対応して、３個の並列配線部を有するＫ個の第１配線成分を備えた受光配線において、図５に示すような折り返し部（すなわち第２配線成分）のみで並列配線部が合流する従来例を考える。すなわち、本従来例における受光部は、１個の第１配線成分あたり３個であり、受光部の直列接続の数Ｒは、折り返し部の数に一致する。この場合、第１配線成分の幅をＷ１、隣り合う第１配線成分間の間隔をＷ２とすると、本従来例において第２方向Ｙに必要な幅は、Ｋ×Ｒ（Ｗ１＋Ｗ２）となる。さらに、このような従来例を並列にＭ個並べた並列ユニットＰ’をＮ個直列接続した受光配線において、第２方向Ｙに必要な幅は、Ｎ×Ｋ×Ｒ（Ｗ１＋Ｗ２）となる。

一方、本実施の形態における受光配線１２において、３個の並列配線部Ｌ１１を有する第１配線成分Ｌ１の数をＫ’個、線間合流部Ｌ１３の数をＳとすると、受光部Ｃは、１個の第１配線成分あたり３×Ｓ個であり、受光部の直列接続の数Ｒ’は、Ｒ’＝Ｓ＋１個となる。この場合、上記従来例と同じだけ受光部を直列接続するために必要な折り返し部の数は、Ｒ／（Ｓ＋１）となる。すなわち、Ｒ’＝Ｒ／（Ｓ＋１）となる。

したがって、第１配線成分の幅をＷ１、隣り合う第１配線成分間の間隔をＷ２とすると、本実施の形態において第２方向Ｙに必要な幅は、Ｋ×Ｒ’（Ｗ１＋Ｗ２）＝Ｋ×Ｒ（Ｗ１＋Ｗ２）／（Ｓ＋１）となる。さらに、このような従来例を並列にＭ個並べた並列ユニットＰ’をＮ個直列接続した受光配線において、第２方向Ｙに必要な幅は、Ｎ×Ｋ×Ｒ（Ｗ１＋Ｗ２）／（Ｓ＋１）となる。以上より、本実施の形態においては、第２方向Ｙに必要な幅を、従来例の１／（Ｓ＋１）にすることが可能となる。

以上のように、本例のような配置態様とすることにより、受光面領域Ａにおける受光配線１２の占有率を高めつつＳ／Ｎ比の向上および応答速度の向上を図ることができる。その結果、従来の一般的なＳＳＰＤにおける受光面領域Ａにも本実施の形態における受光配線１２を好適に配置することができる。

また、近年、ＳＳＰＤは、多様な応用分野への適用が実施、提案されている。例えば、空間光通信や蛍光観察等、用途によっては、より広い受光面領域Ａを有するＳＳＰＤの開発が求められている。従来のＳＳＰＤ（図４（ａ）等）において受光面積の拡大は、応答速度の低下を招いてしまうが、ＳＮＡＰ構造は、広い受光面領域Ａにおいても高い検出効率と高い応答速度とを両立することができる。本実施の形態における受光配線１２の配置態様を有するＳＳＰＤ１においては、広い受光面領域Ａにおいてもより多くの配線成分（受光部Ｃ）を配設することができ、当該用途にも有用である。

以下に、上記のような受光配線１２を有するＳＳＰＤが適用された超伝導単一光子検出システムの具体例について説明する。以下の例では、ＳＳＰＤに、ＳＳＰＤの信号読み出し回路として極低温環境で論理演算が可能な超伝導単一磁束量子回路（superconducting Single Flux Quantum circuit、以下、超伝導ＳＦＱ回路）を接続したシステムについて説明する。

図３は、本実施の形態のＳＳＰＤが適用される超伝導単一光子検出システムの構成例を示す概略回路図である。図３に例示する超伝導単一光子検出システム１０は、ＳＳＰＤ１およびＳＳＰＤ１の信号読み出し回路である超伝導ＳＦＱ回路３０は、何れも極低温環境で動作させるため、システム全体が冷凍機（図示せず）内に配設される。

ＳＳＰＤ１は、単一光子を検出する上記受光配線１２を備えている。電流源７１および抵抗素子８１は、受光配線１２の受光部Ｃにおいて臨界電流をわずかに下回る所定のバイアス電流が流れるように電流値および抵抗値が設定される。上述したように受光部Ｃに光子（単一光子）が入射して受光配線１２の幅方向全域にわたって抵抗変化が生じた場合、電流源７１からのバイアス電流は、超伝導ＳＦＱ回路３０の変換器３１側へ流れる。したがって、このような抵抗変化に基づいてＳＳＰＤ１に印加される電圧が変化するため、入射した光子Ｐが検出信号（電圧信号）として適切に検出される。検出信号は、同軸ケーブル４１を介して超伝導ＳＦＱ回路３０の変換器３１に伝達される。

なお、高インピーダンス素子６１の高周波におけるインピーダンスは、超伝導ＳＦＱ回路３０の負荷抵抗素子Ｒｒより高い値に設定される。

変換器３１は、ＳＳＰＤ１から出力された検出信号を単一磁束量子に変換して出力するよう構成されている。具体的には、交流信号伝送経路（同軸ケーブル４１および同軸線路２４１，３４１）および負荷抵抗素子Ｒｒに直列接続された一次コイルＨ１と、当該一次コイルＨ１と相互誘導可能に配置された二次コイルＨ２とを備えている。二次コイルＨ２には一対のジョセフソン接合Ｊ１，Ｊ２が接続されており、一対のジョセフソン接合Ｊ１，Ｊ２が超伝導量子干渉光子（ＳＱＵＩＤ：Superconducting Quantum Interference Device）を構成している。

ＳＳＰＤ１から出力された検出信号は、一次コイルＨ１から二次コイルＨ２へと相互誘導し、磁束に変換される。ＳＱＵＩＤは、電流源６および第１抵抗素子Ｒ１により臨界電流を下回るレベルにバイアスされている。したがって、検出信号が伝達されない場合には、ＳＱＵＩＤには磁束が生じないため、ＳＱＵＩＤの両端に発生する電圧は０Ｖとなる。一方、検出信号が伝達され、一次コイルＨ１から二次コイルＨ２への相互誘導によりＳＱＵＩＤに磁束が生じると、ジョセフソン接合Ｊ２を流れる電流が臨界電流値を超え、磁束量子（ＳＦＱ：Single Flux Quantum）がジョセフソン接合Ｊ２を含む左右の（コイルＨ２，Ｈ３を含む）ＳＱＵＩＤループに発生する。コイルＨ３を含むＳＱＵＩＤループに発生したＳＦＱはジョセフソン接合Ｊ５をスイッチさせ消失するとともに、さらに右側のコイルＨ４，Ｈ５を含むＳＱＵＩＤループにＳＦＱを発生させる。以下、ジョセフソン接合がはしご的にスイッチを繰り返すことで、ＳＦＱは回路内を伝搬する。このＳＱＵＩＤループをカスケード接続したＳＦＱの伝搬回路は、通常ジョセフソン伝送線路（ＪＴＬ：Josephson Transmission Line）と呼ばれる。磁束量子の伝搬には、必ずジョセフソン接合のスイッチが伴うため、電気的には幅４〜５ｐｓ、電圧強度０．４〜０．５ｍＶの電圧パルス（ＳＦＱパルス）が伝搬していくことと等価である。

変換器３１から出力されたＳＦＱパルスＳ１は、出力変換回路３５に入力される。出力変換回路３５は、変換器３１から出力されたＳＦＱパルスＳ１をトリガとして発振するリングオシレータ（Ring Oscillator）９と、リングオシレータ９から発振された複数のＳＦＱパルスをカウントするカウンタ８とを有している。カウンタ８は、例えば、複数段のＴフリップフロップから構成される。また、リングオシレータ９は、ＪＴＬをリング状に接続することにより構成される。

なお、超伝導ＳＦＱ回路３０は、出力変換回路３５で変換された観測可能な電圧パルス信号を１つに集約して所定の演算処理を行う演算回路（図示せず）も有している。演算回路の構成は、超伝導単一光子検出システム１０が適用される装置等によって適宜定められる。例えば、量子鍵配布の目的で超伝導単一光子検出システム１０が適用される装置においては、演算回路として複数入力を１出力にマージするようなＯＲ論理回路が適用される。また、イメージングセンサに適用される場合には、演算処理回路としてカウンタ８の結果を一時的に保持する記憶部と、所定のタイミングでシリアルに読み出す読み出し回路とを含むように構成されてもよい。

出力変換回路３５から出力されたＳＦＱパルスは、出力電圧レベルとして約２ｍＶを得るためのＳＱＵＩＤドライバ３６に入力される。ＳＱＵＩＤドライバ３６は例えば複数段のＳＱＵＩＤが直列接続されたＳＱＵＩＤループと磁気結合したＲＳフリップフロップで構成される。本実施形態においては、ＳＱＵＩＤドライバ３６のセット端子Ｓには、変換器３１の出力が入力され、リセット端子Ｒには、カウンタ８の出力が入力される。変換器３１、出力変換回路３５およびＳＱＵＩＤドライバ３６には、個別の電流源６から電流が供給され、各回路はこれらの電流によって駆動する。なお、電流源６は共通の電流源を用いてもよい。

なお、本実施形態においては説明を簡単化するため、変換器３１の出力がそのままＳＱＵＩＤドライバ３６のセット端子Ｓに入力されることとしているが、これに限られない。例えば、上記で説明したような信号処理回路の出力がセット端子Ｓに入力されることとしてもよい。

変換器３１から出力されるＳＦＱパルスＳ１は、非常に微弱である（短いパルス幅および小さい電圧レベルを有している）ため、これを後段の回路およびシステムで利用可能な信号として出力するために、出力変換回路３５およびＳＱＵＩＤドライバ３６によって増幅（パルス幅および電圧レベルともに増幅）している。例えばパルス幅４〜５ｐｓおよび電圧レベル０．４〜０．５ｍＶ程度（ピーク値）のＳＦＱパルスＳ１を１ｎｓ程度のパルス幅および２ｍＶ程度の電圧レベル（ピーク値）に増幅する。

具体的には、ＳＦＱパルスＳ１がＳＱＵＩＤドライバ３６のセット端子Ｓに入力されることにより、出力信号の開始トリガとなる（出力信号が立ち上がる）。その後、カウンタ８においてリングオシレータ９からのＳＦＱパルスを所定数カウントすると、ＳＱＵＩＤドライバ３６のリセット端子Ｒにカウンタ８からの出力が入力され、出力信号の終端トリガとなる（出力信号の立ち下がる）。このようにして、ＳＱＵＩＤドライバ３６から出力された出力信号は、同軸ケーブル３７を介して冷凍機外に出力される。以上のように、冷凍機に導入される同軸ケーブルは、ＳＱＵＩＤドライバ３６の出力信号を伝送する同軸ケーブル３７のみとなる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更、修正が可能である。

例えば、上記各構成の数ｎ，Ｊ，Ｋ，Ｍ，Ｎは、上記例示された数に限られず、種々の組み合わせで採用可能である。また、受光配線１２の配置例は、図１および図２の例のみに限られず、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の配置態様を採用し得る。

本発明の超伝導単一光子検出器は、所定の受光面領域内により多くの配線成分を配設するために有用である。例えば、本発明の超伝導単一光子検出器を適用することにより、ＰＰＭ符号化通信による深宇宙空間光通信技術において、通信距離の長大化に伴って大気揺らぎ等の影響によるレーザ光のビームスポットが大きくなる課題を解決することができる。また、例えば、本発明の超伝導単一光子検出器を適用することにより、蛍光寿命相関または蛍光イメージング等の分野において、広い受光面積、高い検出効率、および、高速応答性を要する格子検出器を要するという課題を、解決することができる。

１２ 受光配線
Ａ 受光面領域
Ｌ１（ｉ）（ｉ＝１，２，…，ｎ） 第１配線成分
Ｌ２（ｉ） 第２配線成分
Ｌ１１ 並列配線部
Ｌ１２ 端部合流部
Ｌ１３ 線間合流部
Ｐｘ（ｘ＝１，２，…，Ｎ） 並列ユニット
Ｑｙ（ｙ＝１，２，…，Ｍ） 直列ユニット

Claims (4)

1. 所定の受光面領域に配設される受光配線を備え、前記受光配線を超伝導状態とし、所定のバイアス電流経路から当該受光配線にバイアス電流を流すことで、前記受光面領域に入射される単一光子を検出する超伝導単一光子検出器であって、
   前記受光配線は、
   前記受光面領域内における所定の第１方向に延びる複数の第１配線成分と、
   それぞれの一端部が一の前記第１配線成分の第１端部に接続され、それぞれの他端部が他の前記第１配線成分の第２端部に接続される複数の第２配線成分と、を備え、
   前記第１配線成分と前記第２配線成分とが交互に直列接続された状態で、前記複数の第１配線成分が前記第１方向に直交する第２方向に並ぶように配設され、
   前記複数の第１配線成分は、それぞれ、
   前記第１端部と前記第２端部との間に延びる２以上の所定数の並列配線部と、
   前記第１端部および前記第２端部のそれぞれにおいて前記所定数の並列配線部が合流する端部合流部と、
   前記第１端部と前記第２端部との間の所定箇所において前記所定数の並列配線部同士を接続する少なくとも１つの線間合流部と、を備えている、超伝導単一光子検出器。
2. 前記線間合流部は、各並列配線部を前記第１方向に均等に区分するように設けられる、請求項１に記載の超伝導単一光子検出器。
3. 前記線間合流部の前記第１方向の幅は、各並列配線部の前記第２方向の幅より大きい、請求項１または２に記載の超伝導単一光子検出器。
4. 前記受光配線は、
   それぞれが、J個（Ｊ≧２）の前記並列配線部を有するＫ個（Ｋ≧２）の前記第１配線成分を有する直列ユニットがＭ個（Ｍ≧２）並列接続されたＮ個（Ｎ≧２）の並列ユニットを有し、
   前記Ｎ個の並列ユニットに含まれる前記第１配線成分が前記第２方向に並ぶように配置された状態で、前記Ｎ個の並列ユニットが直列接続されている、請求項１から３の何れかに記載の超伝導単一光子検出器。
   

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