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

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26249054
• 研究機関: 国立研究開発法人情報通信研究機構
• 研究代表者: 寺井 弘高 国立研究開発法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所フロンティア創造総合研究室, 上席研究員 (10359094)
• 研究分担者: 竹内 尚輝 横浜国立大学, 先端科学高等研究院, 特任教員(准教授) (00746472) ; 日高 睦夫 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 招聘研究員 (20500672) ; 三木 茂人 国立研究開発法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所フロンティア創造総合研究室, 主任研究員 (30398424) ; 宮嶋 茂之 国立研究開発法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所フロンティア創造総合研究室, 研究員 (50708055) ; 山下 太郎 名古屋大学, 大学院工学研究科, 准教授 (60567254)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2018-03-31
• キーワード: 単一光子検出器 / 超伝導ディジタル回路 / 読み出し信号処理 / モノリシック集積化 / 超伝導検出器

研究実績の概要

H29年度は、昨年度に引き続きSSPDアレイとSFQ信号処理回路のモノリシック集積化プロセスの検討を進めた。SSPDアレイの光キャビティを構成する誘電体層をSiO蒸着膜からSiO2スパッタ膜に変更することで、SFQ回路作製中の誘電体層のはく離を防ぐことができるものの、超伝導ナノワイヤの特性が変化することも判明した。誘電体材料の変更ではなく、SFQ回路作製プロセスにおける膜ストレスの緩和を検討する必要がある。
また、NxNピクセルのSSPDアレイから2N本の配線で信号を読み出すことができるアレイフォーマットを実現するため、配線の交差が可能な2層配線プロセスを確立し、4x4ピクセルのSSPDにおいて、すべての行と列から信号を読み出すことに成功し、完全動作を実証した。32x32ピクセルについても試作を行い、部分動作を確認したが、冷凍機から取り出すことのできる配線数の制約により、完全動作は確認できていない。今後、32x32ピクセルSSPDアレイ用のSFQエンコーダ回路と組み合わせて動作実証を進めていく必要がある。その、32x32ピクセルSSPDアレイ用のSFQエンコーダ回路についても設計を行い、64ピクセルSSPD用エンコーダとほぼ同じ規模の回路で実現できることを確認した。このエンコーダ回路について、CRAVITYのNb作製プロセスで試作を行い、液体ヘリウム中で完全動作することを実証した。
断熱型磁束量子パラメトロン（AQFP）回路を用いたSSPDからの信号読み出しについては、SSPDとAQFP回路を接続して、検出効率のパルス当たりの光子数依存性を測定し、AQFP回路を接続しない場合と比較した。その結果、検出効率の光子数依存性はAQFP回路の接続の有無によらず一致していることを確認し、エラーフリーでSSPDからの信号読み出しが可能であることを実証した。

現在までの達成度 (段落)

29年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

29年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Timing discriminator based on single-flux-quantum circuit toward high time-resolved photon detection (2017)
  • 著者名/発表者名: Miyajima Shigeyuki、Miki Shigehito、Yabuno Masahiro、Yamashita Taro、Terai Hirotaka
  • 雑誌名: Superconductor Science and Technology 巻: 30 ページ: 12LT01～12LT01
  • DOI: 10.1088/1361-6668/aa926e
  • 査読あり
• [雑誌論文] Adiabatic quantum-flux-parametron interface for the readout of superconducting nanowire single-photon detectors (2017)
  • 著者名/発表者名: Takeuchi Naoki、Yamashita Taro、Miyajima Shigeyuki、Miki Shigehito、Yoshikawa Nobuyuki、Terai Hirotaka
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 25 ページ: 32650～32650
  • DOI: 10.1364/OE.25.032650
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 0.1 W GM冷凍機内での64 chイベント駆動型SFQエンコーダの安定動作に向けた実装法の改善 (2018)
  • 著者名/発表者名: 宮嶋茂之、藪野正裕、山下太郎、三木茂人、寺井弘高
  • 学会等名: 電子情報通信学会 超伝導エレクトロニクス研究会
• [学会発表] 16-Pixel Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors Inte-grated with Single-Flux-Quantum Multiplexers (2018)
  • 著者名/発表者名: Hirotaka Terai、Shigeyuki Miyajima、Masahiro Yabuno、Taro Yamashita、Shigehito Miki、Shuuich Nagasawa、Mutsuo Hidaka
  • 学会等名: The 11th Superconducting SFQ VLSI Workshop (SSV 2018) / 6th CRAVITY Symposium
  • 国際学会
• [学会発表] Single Flux Quantum Based Timing Discriminator for Photon Detection with High-Time Resolution (2018)
  • 著者名/発表者名: Shigeyuki Miyajima、Masahiro Yabuno、Taro Yamashita、Shigehito Miki、Hirotaka Terai
  • 学会等名: Superconducting SFQ VLSI Workshop (SSV 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors for Future Optical Communications (2018)
  • 著者名/発表者名: Hirotaka Terai、Shigehito Miki、Taro Yamashita、Shigeyuki Miyajima、Masahiro Yabuno
  • 学会等名: The Optical Networking and Communication Conference & Exhibition (OFC2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 大規模SSPDアレイシステムに向けた2N読出方式に基づくイベント駆動型SFQエンコーダの提案 (2018)
  • 著者名/発表者名: 宮嶋茂之、藪野正裕、山下太郎、三木茂人、寺井弘高
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 同一冷凍機内でのSSPDとAQFPインターフェイス回路の接続実証 (2018)
  • 著者名/発表者名: 竹内尚輝、山下太郎、宮嶋茂之、三木茂人、吉川信行、寺井弘高
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] メアンダ型超伝導インダクタで構成した並列バイアス回路を用いた2N読出し型SSPDアレイの同時動作実証 (2018)
  • 著者名/発表者名: 藪野正裕、宮嶋茂之、三木茂人、山下太郎、寺井弘高
  • 学会等名: 第65回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Multi-pixel superconducting nanowire single-photon detectors with cryogenic signal processors using single-flux-quantum circuits (2017)
  • 著者名/発表者名: Hirotaka Terai、MutsuoHidaka、ShigeyukiMiyajima、MasahiroYabuno、TaroYamashita、ShigehitoMiki、ShuuichiNagasawa,
  • 学会等名: Cryogenic Engineering Conference and International Cryogenic Materials Conference (CEC/ICMC 2017)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 高時間精度光子検出に向けた単一磁束量子時間弁別器のタイミングジッタ評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 宮嶋茂之、藪野正裕、山下太郎、三木茂人、寺井弘高
  • 学会等名: 電子情報通信学会 超伝導エレクトロニクス研究会
• [学会発表] Demonstration of multi-pixel superconducting nanowire single-photon detector monolithically integrated with single-flux-quantum multiplexer (2017)
  • 著者名/発表者名: Hirotaka Terai、Shigeyuki Miyajima、Masahiro Yabuno、Taro Yamashita、Shigehito Miki
  • 学会等名: 16 th International Superconductive Electronics Conference (ISEC2017)
  • 国際学会
• [学会発表] A single flux quantum based event-driven encoder for a single photon imaging system using multi-pixel superconducting nanowire single photon detectors (2017)
  • 著者名/発表者名: Shigeyuki Miyajima、Masahiro Yabuno、Taro Yamashita、Shigehito Miki、Hirotaka Terai
  • 学会等名: 16 th International Superconductive Electronics Conference (ISEC2017)
  • 国際学会
• [学会発表] Design for Building the Large-scale Superconducting Nanowire Single-photon Detector Imaging Array (2017)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Yabuno、Shigeyuki Miyajima、Shigehito Miki、Taro Yamashita、Hirotaka Terai
  • 学会等名: 16 th International Superconductive Electronics Conference (ISEC2017)
  • 国際学会
• [学会発表] Cryogenic signal processing based on superconducting logic circuits for multi-pixel superconducting nanowire single-photon detectors (2017)
  • 著者名/発表者名: Hirotaka Terai、Shigeyuki Miyajima、Masahiro Yabuno、Taro Yamashita、Shigehito Miki、Naoki Takeuchi、Shuuich Nagasawa、Mutsuo Hidaka
  • 学会等名: The 30th International Symposium on Superconductivity (ISS2017)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 1kピクセル SSPD イメージングアレイの作製 (2017)
  • 著者名/発表者名: 藪野正裕、宮嶋茂之、三木茂人、山下太郎、寺井弘高
  • 学会等名: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] AQFPインターフェイス回路を用いたSSPD動作実証 (2017)
  • 著者名/発表者名: 竹内尚輝、山下太郎、宮嶋茂之、三木茂人、吉川信行、寺井弘高
  • 学会等名: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 単一光子イメージングシステムに向けた64 chイベント駆動型SFQエンコーダの動作実証 (2017)
  • 著者名/発表者名: 宮嶋茂之、藪野正裕、山下太郎、三木茂人、寺井弘高
  • 学会等名: 第78回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 1kピクセルSSPDイメージングアレイの作製と評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 藪野正裕、宮嶋茂之、三木茂人、山下太郎、寺井弘高
  • 学会等名: 電子情報通信学会 超伝導エレクトロニクス研究会
• [学会発表] 高時間分解SSPD-SFQ同時計数器の実現にむけたタイミングジッタ特性評価 (2017)
  • 著者名/発表者名: 三木茂人、宮嶋茂之、藪野正裕、山下太郎、寺井弘高
  • 学会等名: 電子情報通信学会 超伝導エレクトロニクス研究会
• [学会発表] A single-flux-quantum based event-driven encoder toward a 1024-pixel single-photon imaging system (2017)
  • 著者名/発表者名: Shigeyuki Miyajima、Masahiro Yabuno、Taro Yamashita、Shigehito Miki、Hirotaka Terai
  • 学会等名: The 30th International Symposium on Superconductivity (ISS2017)
  • 国際学会
• [学会発表] Development of the Large-scale Superconducting Nanowire Single-photon Detector Imaging Array (2017)
  • 著者名/発表者名: Masahiro Yabuno、Shigeyuki Miyajima、Shigehito Miki、Taro Yamashita、Hirotaka Terai
  • 学会等名: The 30th International Symposium on Superconductivity (ISS2017)
  • 国際学会