2015 Fiscal Year Annual Research Report
大規模SSPDアレイによるシングルフォトンイメージング技術の創出
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26249054
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| Research Institution | National Institute of Information and Communications Technology |
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Principal Investigator |
寺井 弘高 国立研究開発法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所ナノICT研究室, 研究マネージャー (10359094)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
日高 睦夫 国立研究開発法人産業技術総合研究所, ナノエレクトロニクス研究部門, 上席主任研究員 (20500672)
三木 茂人 国立研究開発法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所ナノICT研究室, 主任研究員 (30398424)
牧瀬 圭正 国立研究開発法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所ナノICT研究室, 専門推進員 (60363321)
山下 太郎 国立研究開発法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所ナノICT研究室, 主任研究員 (60567254)
竹内 尚輝 横浜国立大学, 先端科学高等研究院, 准教授 (00746472)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 超伝導単一光子検出器 / 単一磁束量子論理回路 / モノリシック集積化 / 大規模アレイ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
H27年度は、64ピクセルSSPDアレイ用SFQ信号処理回路への大電流供給に伴う冷凍機温度の上昇を抑制するため、従来のパルスカウンターとシフトレジスタを基本とした回路設計を見直し、2のn乗チャンネルある光子の入射位置情報をnビットのシリアルコードにエンコードして1本の出力ケーブルで読み出す回路を新たに設計した。その結果、従来よりも約30%バイアス電流を削減することに成功した。この新方式の回路では、光子の入射位置情報だけでなく、時間情報も判別できるよう、光子が入射する毎にアドレス情報を出力するイベントドリブン型の回路設計とし、この回路の液体ヘリウム中での正常動作を確認した。また、SFQ回路を構成するジョセフソン接合の最小臨界電流は100uAであるが、これを50uAとした新たな論理セルについても設計を行い、基本ゲートの正常動作を確認した。これらの論理セルを用いることでSFQ信号処理回路へ供給電流量をさらに半減できる見通しである。
また、SFQ回路への電流供給による冷凍機の温度上昇を抜本的に抑制するため、断熱型超伝導論理回路(AQFP: Adiabatic Quantum Flux Parametron)を使ったSSPDからの信号読み出しに向けて、高速超伝導インターフェイス回路を開発した。この回路は10uA以下という微弱な信号入力で動作し、SSPDと直接接続して使用することが可能である。磁束量子に変換した信号をAQFP回路で処理後、最終的に信号を数mVまで増幅して出力することが可能である。H27年度は、液体ヘリウム中で、この回路が数GHzで動作することを確認した。AQFP回路へは3相もしくは4相の交流バイアス電流が必要であるが、SFQ回路で現状200mA以上必要としているバイアス電流量を数mAに削減できる見込みである。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
SFQ信号処理回路においては、新しいエンコード方式を採用して約30%のバイアス電流量の削減を実現し、さらに回路を構成するジョセフソン接合の臨界電流値を従来の半分としたSFQ論理セルについても設計・評価を行い、正常動作を確認している。これらは、大規模SSPDアレイを実現する上で必要となる数1000接合規模のSFQ信号処理回路を冷凍機で動作させるために不可欠である。現状、64ピクセルSSPDアレイ用の信号処理回路（約3000接合）を設計・評価しているが、これらをSSPDと組み合わせて冷凍機で動作させることができれば、2のn乗ピクセルを2nの読み出し信号線数に削減する手法を適用したとすると、32x32=1024ピクセルのSSPDアレイに適用できることになる。米国NISTで8x8のSSPDアレイの報告例があるが、それを大きく超える大規模SSPDアレイの実証が可能であると考えている。
また、バイアス電流を抜本的に削減可能なAQFP回路においても、SSPDと組み合わせて動作させる上で必須となる出力ドライバを設計し、数GHzでの動作を確認することができた。SFQ回路の冷凍機動作でどうしても温度上昇を抑制することが難しい場合は、AQFP回路による信号処理回路により大規模SSPDアレイの実証を進めていくことも十分視野に入ってきた。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は、H27年度に設計した64ピクセルSSPDアレイ用信号処理回路の冷凍機での動作実証を進めていく。冷凍機の温度上昇が依然として問題となる場合は、臨界電流値50%のSFQ論理セルを用いて回路設計し、電流供給によるジュール発熱をさらに1/4に低減して、冷凍機での動作実証を何とかH28年度中に完了させる。冷凍機での動作確認後、すでに設計済みのパッケージに64ピクセルSSPDアレイとともに実装し、後段の室温FPGA信号処理まで含めたシステム動作実証を進めていく。
また、SSPDアレイとSFQ信号回路のモノリシック集積化についても検討を進めていく。同一チップ上に集積化する上で問題となるSSPDの検出感度へのSFQ回路の発熱の影響を評価するため、チップ上のジョセフソン接合の特性からSFQ回路からの発熱のチップ温度上昇への影響を定量的に評価する。また、SSPDアレイ作製後にSFQ回路を作製することになるが、SFQ回路作製がSSPDアレイの特性に及ぼす影響については未知の部分が多い。H28年度には、実際の試料作製・評価を通じてモノリシック集積化に向けた作製プロセス上の課題を抽出していく予定である。
さらに、昨年度に液体ヘリウムで数GHzでの動作を実証した、AQFP回路による信号読み出しについては、H28年度には冷凍機での評価を行い、SSPDと実際に接続して動作実証を行う予定である。
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