2019 Fiscal Year Annual Research Report
Development of new imaging technology based on superconducting single-photon camera
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18H05245
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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研究所フロンティア創造総合研究室, 上席研究員 (10359094)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山森 弘毅 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, 研究グループ長 (00358293)
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)
清水 亮介 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 准教授 (50500401)
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| Project Period (FY) |
2018-06-11 – 2023-03-31
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| Keywords | 超伝導単一光子検出器 / 超伝導単一磁束量子回路 / 断熱型磁束量子パラメトロン / モノリシック集積化 / 分光計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
R1年度は、H30年度に設計した2x32入力エンコーダ回路について、まず液体ヘリウム中で全入力チャンネルの正常動作を確認した。この回路の駆動バイアス電流量は170 mAであるが、0.1 W GM冷凍機中でもステージ温度の著しい上昇を観測することなく正常動作を確認することができた。SSPDアレイの作製・評価においては、32x32ピクセルSSPDアレイの作製・評価を行った。冷凍機からの読み出しケーブル本数の制約から、全ピクセルにバイアス電流を供給しつつ、中央5x5ピクセルからの出力波形をモニタしたところ、正常動作を確認するとともに、出力電流量としてSFQ回路で十分検出可能な14uAを得ることができた。
また、R1年度はSSPDアレイとSFQ回路のモノリシック集積化にも着手した。バイアス供給と列配線終端用のインダクタンスの占有面積が大きく、5 mm x 5 mmのチップサイズに搭載できるアレイ規模は最大でも8x8ピクセルであることがわかった。現在、設計が完了し、試作を進めている。
供給バイアス電流量の低減を目的に導入を検討しているSFQ/AQFP信号処理回路については、4ピクセルSSPDアレイ読み出し用AQFP/SFQハイブリッド回路の電流感度を測定し、通常のSFQ読出回路の電流感度よりも2倍程度優れた約5uAの入力電流感度を得た。
SSPDアレイへの空間光入力については、通常我々がSSPDの評価に使用している0.1 W GM冷凍機システムに外部からSSPDアレイに空間光結合可能な窓を設けたシステムを設計・試作・冷却テストを行い、サンプルステージが3 K以下まで冷却されることを確認した。
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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
2x32入力のSFQイベント駆動エンコーダ回路の0.1 W GM冷凍機での動作実証に成功し、32x32ピクセルSSPDアレイについても中央5x5ピクセルではあるが正常動作を確認し、出力電流としてもSFQエンコーダで十分検出可能な14uAが得られた。32x32ピクセルSSPDアレイの動作実証に向けた要素技術開発は着実に進展していると考えている。2x32ピクセルSSPDアレイの作製歩留まりはまだ十分とは言えないが、電子線レジスト残渣の影響など、歩留まりの低下因子は特定できており、R2年度には2x32ピクセルSSPDアレイの完全動作を実証できると考えている。さらに大規模化に向けてSFQ/AQFPハイブリッドエンコーダの検討も進んでおり、5uAという非常に高い入力電流感度を確認する等、大規模SSPDアレイの実証に向けた有望な成果も得られつつある。また、空間光入力についても外部光入力が可能な冷凍機システムでサンプルステージ温度が3 K以下まで冷却できることを確認しており、光子分光システムの構築に向けた準備は整っていると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
R1年度に導入したウェハ有機洗浄装置、誘電体堆積装置をできるだけ早期に立ち上げ、SSPDアレイの作製プロセスに活用していく予定である。ディジタル信号処理回路については、極低温においてケーブルの接続（コネクタ）部に高周波の信号伝送では問題にならないわずかな接触抵抗（50 mohm）でも、直流電流が数百mA級に達すると接続部で発生するジュール熱により冷凍機の温度が上昇するため、極低温環境下への安定した直流バイアス電流供給を可能とするコネクタを含めたチップパッケージの再検討が必要と考えている。モノリシック集積化については、8x8ピクセルの作製・評価および課題抽出を行い、R2年度中に32x32ピクセルSSPDアレイの設計・作製を進める予定である。また、これまでに4ピクセル用読み出し回路の動作実証に成功しているSFQ/AQFPハイブリッド読み出し回路については、さらなる規模拡大を進めると同時に、最終的な到達目標である100 x 100ピクセル（200入力チャンネル）に向けた拡張性について、主に消費電力（供給バイアス電流）や回路面積に焦点を当て検討する。空間光入力については、令和元年度までに築した窓付き冷凍機システムをベースとした光子分光システムを検討していく予定である。
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