超伝導ナノワイヤを積層した高性能な単一光子検出器の開発

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21K20438
• Research Institution: National Institute of Information and Communications Technology
• Principal Investigator: 知名 史博 国立研究開発法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所神戸フロンティア研究センター, 研究員 (90912436)
• Project Period (FY): 2021-08-30 – 2023-03-31
• Keywords: 超伝導ナノストリップ単一光子検出器 / SSPD / SNSPD / 誘電体多層膜 / 光共振器 / 超伝導デバイス / 単一光子検出器

Outline of Annual Research Achievements

超伝導ナノワイヤ単一光子検出器 (SSPD) は紫外光から中赤外光に及ぶ広い波長領域において感度を有するが、特定の波長領域で高い光子検出効率を実現するためには、超伝導ナノワイヤへの光吸収率を増強する光共振器構造が必須である。本研究では自由度の高い波長特性の設計、および高検出効率なSSPDの実現を目的に、ナノワイヤ2層からなる高性能SSPDの開発を行った。
まず、波長650 nm領域に高い感度を持つナノワイヤ2層と3つの誘電体光共振器で構成されるナノワイヤ積層型SSPDについて、各誘電体光共振器構造の光学設計を行った。誘電体光共振器の光学設計は、光学薄膜ソフトウェアによる多層膜構造の最適化、および有限要素解析法による超伝導ナノワイヤの光吸収率解析を併用して実施した。その結果、580 nmから750 nmの広い波長範囲で高い光吸収率が得られるナノワイヤ積層型SSPDのパラメータ解を得ることができた。また2層のメアンダ形状の超伝導ナノワイヤを同じ向きに配置した場合でも、有限要素解析を実施した波長範囲400 nm~900 nmで偏光依存性が殆ど生じないことを確認した。一方で、本研究で実施したナノワイヤ積層型SSPDの設計手法では更に広帯域なパラメータ解を得ることが難しいという課題が残った。ナノワイヤ積層型SSPDのブロードバンド性を更に向上させるため、今後は新たな光共振器の最適化手法を検討する予定である。
またナノワイヤ積層型SSPD実現に向けたプロセス検討を行った。下部ナノワイヤの凹凸形状による上部ナノワイヤの形状劣化を防ぐため、下部ナノワイヤ上に成膜する誘電体の成膜条件や、化学機械研磨 (CMP) およびアルゴンイオンビーム照射による誘電体表面加工プロセスの開発を行った。これらの開発した誘電体成膜・加工手法をもとに、複数種類の基板上にナノワイヤ積層型SSPDの作製を実施した。