超伝導単一光子検出器および超伝導単一光子検出器の実装方法
【課題】積層構造の受光素子のサイズに適合して高効率光結合を実現できる超伝導単一光子検出器を提供する。
【解決手段】超伝導単一光子検出器２００は、酸化マグネシウムからなる基板１０と、基板１０の表面に形成された窒化ニオブ配線１３と、窒化ニオブ配線１３上に形成されたキャビティ層１２と、キャビティ層１２上に形成された反射層１１と、基板１０の裏面に形成された反射防止層１４と、を有する超伝導単一光子検出素子１００と、
光ファイバ７２と、光ファイバ７２の先端に調芯融着されたレンズ７５と、を有する光伝送手段２３と、を備える。そして、レンズ７５からの出射光が、窒化ニオブ配線１３において所定のビームウェスト直径２ωｏとなるよう、レンズ７５の先端から窒化ニオブ配線１３までの距離が調整されている。
【解決手段】超伝導単一光子検出器２００は、酸化マグネシウムからなる基板１０と、基板１０の表面に形成された窒化ニオブ配線１３と、窒化ニオブ配線１３上に形成されたキャビティ層１２と、キャビティ層１２上に形成された反射層１１と、基板１０の裏面に形成された反射防止層１４と、を有する超伝導単一光子検出素子１００と、
光ファイバ７２と、光ファイバ７２の先端に調芯融着されたレンズ７５と、を有する光伝送手段２３と、を備える。そして、レンズ７５からの出射光が、窒化ニオブ配線１３において所定のビームウェスト直径２ωｏとなるよう、レンズ７５の先端から窒化ニオブ配線１３までの距離が調整されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導単一光子検出器（Superconducting Single Photon Detector；以下、「ＳＳＰＤ」と略す場合がある）およびＳＳＰＤの実装方法に関する。特に、本発明は、窒化ニオブ（ＮｂＮ）からなる超伝導状態の窒化ニオブ配線（以下、「ナノワイヤ」と略す場合がある）を用いたＳＳＰＤの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
光子を１個ずつ検出できる超伝導単一光子検出素子を閉サイクル冷凍機に組み込み、ＳＳＰＤシステムを構成すると、多チャンネル化（例えば、６個のＳＳＰＤによる６チャンネル化）、安定動作、連続動作を実現できる。
このため、このようなＳＳＰＤシステムについて、様々な応用分野への有用性が認知されつつある。例えば、盗聴を不可能にする量子暗号通信などの量子通信分野への利用が期待されている。
【０００３】
そこで、超伝導単一光子検出素子の一例として、単一の窒化ニオブ層が酸化マグネシウム基板（以下、「ＭｇＯ基板」という）上に形成された単層構造の検出素子（以下、「単層構造素子」と略す）がすでに開発されている。
【０００４】
この単層構造出素子では、窒化ニオブ層からなるメアンダ状（蛇行形状）のナノワイヤが、ＭｇＯ基板の表面に形成されている。
これにより、ＭｇＯ基板の表面に向けて光を入射できる。よって、単層構造素子は、光ファイバから出射された光とナノワイヤ素子との高光カップリングを容易に実現でき、光子との光カップリング性に優れている。
【０００５】
しかし、単層構造素子では、光吸収効率が、ナノワイヤでの光反射および光透過特性によって制約されるといった欠点がある。つまり、薄膜（厚み６ｎｍ程度）のナノワイヤにおいて光の反射や透過が生じて、ナノワイヤによる光吸収性が芳しくなく（光吸収効率が最大でも３０％程度と予測される）、ひいては、単層構造素子を用いたＳＳＰＤのシステム検出効率の低下を招いている。
【０００６】
なお、本明細書において、「システム検出効率」とは、ＳＳＰＤのシステムとしての検出効率を指し、光子検出システムに単一光子を入れる際の、当該光子を検出できる確率を指す。具体的には、システム検出効率Ｒは、下記式（１）で表される。
【０００７】
Ｒ＝Ｐｃ×Ｐａ×Ｐｄ・・・（１）
式（１）において、「Ｐｃ」は、光子がナノワイヤとカップリングできる割合に対応する光カップリング効率（光結合効率）である。「Ｐａ」は、ナノワイヤでの光子吸収割合に対応する光吸収効率である。また、「Ｐｄ」は、光子が受光素子に入射した際に信号が発生する割合に対応する素子検出効率である。
【０００８】
そこで、以上のシステム検出効率Ｒの改善を図る目的で、単層構造素子に代えて、積層構造（光キャビティ構造）の超伝導単一光子検出素子（以下、「従来の積層構造素子」と略す）が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００９】
この従来の積層構造素子では、サファイア基板の表面側に、窒化ニオブ層（後工程においてメアンダ状のナノワイヤに微細加工）、誘電体キャビティ層（例えば、水素シルセスキオキサン（ＨＱＳ）からなるキャビティ層）および反射層（例えばＡｕ（金）層）が配されている。
【００１０】
以上の構成により、キャビティ層内に光子を閉じ込めることができるので、単層構造素子に比べて吸収効率Ｐａが改善する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】23 January 2006/Vol.14, No 2/OPTICS EXPRESS 527-534
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、従来の積層構造素子では、受光素子を構成するナノワイヤが形成されたサファイア基板の表面と反対の裏面側から光を照射する必要がある。よって、受光面積の小さなナノワイヤ素子に入射光を集光させることが難しく、光子との光カップリング性において難点がある。
【００１３】
このため、従来の積層構造素子では、光カップリング効率Ｐｃが、単層構造素子に比べて悪化して、却って、システム検出効率Ｒの向上が図れないことがある。特に、素子の受光面積を小さくする程、素子検出効率Ｐｄを改善できることが知られているにもかかわらず、従来の積層構造素子では、受光面積がファイバコアの面積よりも小さい場合、光カップリング性の悪化が避けられないという問題がある。
【００１４】
例えば、ＭｇＯ基板の機械強度を考慮すると、ＭｇＯ基板の研磨限界は、厚みで４０μｍ〜５０μｍ程度となると考えられる。よって、基板の厚みが５０μｍの場合、ファイバコア径が約９μｍの光ファイバからの出射光の、基板表面でのスポット径は、ガウシアン近似により１５μｍ程度と見積もれる。このため、このスポット径（１５μｍ程度）よりも小さな積層構造の受光素子については、高効率光結合を実現できない。
【００１５】
以上のとおり、単層構造素子および従来の積層構造素子の何れにも、システム検出効率Ｒの向上において一長一短があり、未だ、ＳＳＰＤのシステム検出効率Ｒは改善の余地が充分にあると考えられる。
【００１６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、積層構造の受光素子のサイズに適合して高効率光結合を実現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。
また、本発明は、このような超伝導単一光子検出器の実装方法を提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するため、本発明は、酸化マグネシウムからなる基板と、前記基板の表面に形成された窒化ニオブ配線と、前記窒化ニオブ配線上に形成されたキャビティ層と、前記キャビティ層上に形成された反射層と、前記基板の裏面に形成された反射防止層と、を有する超伝導単一光子検出素子と、
光ファイバと、前記光ファイバの先端に調芯融着されたレンズと、を有する光伝送手段と、
を備え、
前記窒化ニオブ配線は、所定のバイアス電流が流れるよう、伝送線路を介してバイアス源に接続されて、超伝導状態において使用され、
前記窒化ニオブ配線に光子が入射した際の前記窒化ニオブ配線の抵抗変化に基づいて、前記光子が、前記超伝導単一光子検出素子において１個ずつ検出され、
前記レンズからの出射光が、前記窒化ニオブ配線において所定のビームウェスト直径となるよう、前記レンズの先端から前記窒化ニオブ配線までの距離が調整されている、超伝導単一光子検出器を提供する。
【００１８】
これにより、本発明の超伝導単一光子検出器では、受光素子のサイズに適合した高効率光結合を実現できる。このため、小面積（例えば、５×５μｍ角）から大面積（例えば、１５×１５μｍ角）に亘る様々なサイズの受光素子を用いても、超伝導単一光子検出器を、そのシステム検出効率が、従来の超伝導単一光子検出器のそれよりも向上するように構成できる。
【００１９】
また、本発明の超伝導単一光子検出器では、前記距離の調整の一例として、前記基板の裏面を削るとよい。
【００２０】
これにより、マザー基板の厚み（例えば、４００μｍ）を容易に変更できるので、超伝導単一光子検出器の用途に合わせて、レンズの先端から受光素子までの距離を適宜、調整できる。
【００２１】
また、本発明は、上記記載の超伝導単一光子検出素子と上記記載の光伝送手段とを、パーケージブロックに実装する超伝導単一光子検出器の実装方法であって、
前記パーケージブロックに形成された貫通孔にダミー基板を被せることにより、前記ダミー基板上に密着されたクリアランス調整部材を前記貫通孔内に配する工程と、
前記貫通孔内に前記光伝送手段を挿入することにより、前記光伝送手段のレンズの先端を前記クリアランス調整部材に当接させる工程と、
前記ダミー基板を除去して、前記超伝導単一光子検出素子の基板の反射防止層が前記レンズの先端と対置するよう、前記超伝導単一光子検出素子を前記貫通孔に被せる工程と、を含む超伝導単一光子検出器の実装方法を提供する。
【００２２】
以上の超伝導単一光子検出器の実装方法により、光伝送手段の先端と超伝導単一光子検出素子の基板（反射防止層）との間の距離に相当するクリアランスが適量に調整でき、ひいては、レンズの先端から窒化ニオブ配線までの距離を適切に設定できる。
【００２３】
また、以上のパッケージング方式の実装方法により、ＳＳＰＤをコンパクトに構成できる。よって、このＳＳＰＤは、量子暗号通信などの量子通信分野への利用を考慮した場合の多チャンネル化においてコスト対応力に優れる。
【００２４】
また、本発明の超伝導単一光子検出器の実装方法では、前記レンズの先端が前記クリアランス調整部材に当接した状態で、前記光伝送手段を前記パーケージブロックに樹脂材料を用いて固定する工程を更に含んでもよい。
【００２５】
これにより、光伝送手段が適切に固定され、上記クリアランスが適量に維持される。
【００２６】
また、本発明の超伝導単一光子検出器の実装方法では、前記超伝導単一光子検出素子を前記貫通孔に被せた後、前記超伝導単一光子検出素子を前記パーケージブロックに極低温用接着剤(例:エレクトロンワックス)を用いて固定する工程を更に含んでもよい。
【００２７】
以上の極低温用接着剤(例:エレクトロンワックス)により、超伝導単一光子検出素子が、パーケージブロックに適切に固定され、上記クリアランスが適量に維持される。また、超伝導単一光子検出素子とパーケージブロックとの間の熱伝導性が極低温用接着剤(例:エレクトロンワックス)を用いて適切に向上する。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、積層構造の受光素子のサイズに適合して高効率光結合を実現できる超伝導単一光子検出器が得られる。
【００２９】
また、このような超伝導単一光子検出器の実装方法も得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施形態のＳＳＰＤに用いる超伝導単一光子検出素子の一構成例を模式的に示した図である。
【図２】本発明の実施形態のＳＳＰＤに用いる超伝導単一光子検出素子による光子検出法を示した模式図である。
【図３】本発明の実施形態のＳＳＰＤに用いる超伝導単一光子検出素子の製造方法の各工程を示した断面図である。
【図４】本発明の実施形態のＳＳＰＤの構成の説明およびＳＳＰＤの実装方法の説明に用いる図である。
【図５】図４（ｄ）の光伝送部品の先端部の構造を示した図である。
【図６】マイクロレンズから出射された光のビームウェスト距離と、出射光のビームウェスト直径との間の関係を表した計算結果（プロファイル）を示した図である。
【図７】マイクロレンズが融着されたＳＳＰＤおよびマイクロレンズが融着されなかったＳＳＰＤのそれぞれのシステム検出効率の測定値をプロットした図である。
【図８】受光素子が搭載されたＭｇＯ基板の研磨システムを示した図である。
【図９】光ファイバが光ファイバ保持用ブロックに実装された写真を掲載した図である。
【図１０】受光素子が搭載されたＭｇＯ基板が素子保持用ブロックに実装された写真を掲載した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００３２】
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。
【００３３】
また、本発明は、以下の実施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。
【００３４】
例えば、以下に述べる「屈折率分布型のマイクロレンズ７５」は、本発明の構成要素である「レンズ」の一例に過ぎない。
（実施形態）
図１は、本発明の実施形態のＳＳＰＤに用いる超伝導単一光子検出素子の一構成例を模式的に示した図である。図１（ａ）は、超伝導単一光子検出素子の受光素子周辺を上方から平面視した図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った部分の断面を示した断面図である。
【００３５】
図１に示すように、超伝導単一光子検出素子１００は、光子Ｐが酸化マグネシウム（ＭｇＯ）単結晶基板１０（以下、「ＭｇＯ基板１０」と略す）の裏面側から入射する裏面入射式の光キャビティ構造を備える。
【００３６】
まず、超伝導単一光子検出素子１００の受光素子Ｓの平面構造について述べる。
【００３７】
超伝導単一光子検出素子１００の受光素子Ｓは、平面視においては、図１（ａ）に示すように、メアンダ状（蛇行形状）のナノワイヤ１３を備える。このナノワイヤ１３は、例えば、数十〜数百ナノメートル線幅で所定のピッチに形成され、適宜の冷却手段（例えば、ＧＭ型冷凍機）を用いて超伝導状態で使用される。
ここで、受光素子Ｓを平面視したサイズは、超伝導単一光子検出素子１００の使用目的に合わせて決めるとよい。例えば、素子検出効率Ｐｄを上げるには、受光素子Ｓのサイズを小面積（例えば、５×５μｍ角）にするとよい。一方、受光素子Ｓのアレイ化によって受光素子Ｓに付加機構（例えば、光子Ｐの個数の識別機能）を追加するには、受光素子Ｓのサイズを大面積（例えば、１５×１５μｍ角）にするとよい。
そこで、本実施形態のＳＳＰＤ２００（図４（ｄ）参照）は、小面積から大面積までの様々なサイズの受光素子Ｓに適合して高効率光結合を実現できることを特徴としているが、その詳細は後述する。
【００３８】
なお、このナノワイヤ１３は、数ナノメートル（ここでは、６ｎｍ）の厚みの窒化ニオブ層１３Ａを、電子線などを用いてパターニングすることにより製作することができる。
【００３９】
また、ナノワイヤ１３は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、略Ｕ次状の伝送経路１５（厚み：１５０ｎｍ）と矩形状の伝送経路１５（厚み：１５０ｎｍ）とに接続されている。そして、ナノワイヤ１３は、臨界電流を僅かに下回る所望のバイアス電流が流れるように、伝送経路１５を介してバイアス源（図示せず）の出力端子に接続されている。このように、伝送経路１５は、ナノワイヤ１３にバイアス電流を流す経路として機能している。
【００４０】
なお、この伝送経路１５は、窒化ニオブ層１３Ａとの接触面で超伝導単一光子検出素子１００が破壊され難くする目的で、窒化ニオブ層１３Ａと同じ材料により構成するとよい。
【００４１】
次に、超伝導単一光子検出素子１００の受光素子Ｓの積層構造について述べる。
【００４２】
超伝導単一光子検出素子１００は、断面視においては、図１（ｂ）に示すように、ＭｇＯ基板１０と、ＭｇＯ基板１０の表面に設けられた積層体１０１と、ＭｇＯ基板１０の裏面に形成された反射防止層１４と、を備える。つまり、受光素子Ｓは、この積層体１０１によって構成されている。
【００４３】
なお、本実施形態では、ＭｇＯ基板１０の厚みＬ１は、例えば、４００μｍ程度のマザー基板の裏面を研磨ことにより、ＭｇＯ基板１０の機械強度から導かれる研磨限界（例えば、４０μｍ〜５０μｍ）まで適宜、設定できる。ＭｇＯ基板１０を平面視したサイズは、例えば、３ｍｍ角程度にするとよい。
【００４４】
積層体１０１は、図１（ｂ）に示すように、ＭｇＯ基板１０上に堆積されたベタ状の窒化ニオブ層１３Ａがパターニングされてなるナノワイヤ１３（窒化ニオブ配線）と、このナノワイヤ１３を覆うように形成されたキャビティ層１２と、キャビティ層１２上に形成された反射層１１と、を備える。
【００４５】
積層体１０１の反射層１１は、ここでは、厚みが約１２０ｎｍの金属製（例えば、金（Ａｕ））の薄膜反射ミラーである。但し、反射層１１として、反射率に優れた部材であれば、他の部材（例えば、銀（Ａｇ）の薄膜反射ミラー）を用いてもよい。
【００４６】
積層体１０１のキャビティ層１２は、ここでは、一酸化珪素（ＳｉＯ）からなり、厚みが約２５０ｎｍに設定された光共振器として機能する層である。但し、キャビティ層１２として、他の誘電体材料（例えば、二酸化珪素）を用いてもよい。
【００４７】
以上の反射層１１およびキャビティ層１２によって、ＭｇＯ基板１０の裏面から受光素子Ｓに入射した光子Ｐはキャビティ層１２内に適切に閉じ込められる。
【００４８】
また、反射防止層１４は、ここでは、アモルファスフッ素樹脂（旭硝子社製、製品名「サイトップ」（登録商標））からなり、厚みが約２００〜３００ｎｍに設定され、受光素子Ｓ内に光子Ｐが入る際の反射を防止する無反射コート層である。
【００４９】
次に、超伝導単一光子検出素子１００の受光素子Ｓにおける光子Ｐの検出法について概説する。
【００５０】
図２は、本発明の実施形態のＳＳＰＤに用いる超伝導単一光子検出素子による光子検出法を示した模式図である。
【００５１】
図２に示すように、ナノワイヤ１３に光子Ｐ（シングルフォトン）が入射すると、光子Ｐが入射した箇所ではキャップエネルギーを超えることになり、その結果、ホットスポットという常伝導領域Ａ（高抵抗領域）が発生する。この場合、図２の拡大図に示すように、電流Ｃは、高抵抗の領域Ａを迂回するように領域Ａの両側のナノワイヤ１３の部分に集中的に流れる。すると、領域Ａの周囲を流れる電流Ｃは臨界電流を超え、領域Ａの両側の部分も常伝導状態になり、常伝導状態の領域Ａは、ナノワイヤ１３の幅方向全域に亘るように一時的に広がる。このようにして、常伝導領域Ａの発生および常伝導領域Ａの超伝導状態への回復過程におけるナノワイヤ１３の幅方向全域に亘る抵抗変化に基づいて、ナノワイヤ１３に入った光子Ｐは、電圧信号として１個ずつ適切に検出され、この電圧信号が伝送経路１５から外部に取り出される。
【００５２】
なお、以上のナノワイヤ１３を臨界電流近傍にバイアスすることにより、光子Ｐを１個ずつ検出できる超伝導単一光子検出素子の検出法自体は公知である（例えば、公知文献としての「IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL.11, NO.1, MARCH 2001 P574-577」参照）。よって、この検出法の詳細な説明は省略する。
【００５３】
また、本実施形態の超伝導単一光子検出素子１００では、ナノワイヤ１３をメアンダ状に形成しているが、メアンダタイプのナノワイヤについても、上述の公知文献や上述の非特許文献１に記載されている。よって、メアンダ構造のナノワイヤの詳細な説明についても省略する。
【００５４】
次に、本実施形態の超伝導単一光子検出素子１００の製法について説明する。
【００５５】
図３は、本発明の実施形態のＳＳＰＤに用いる超伝導単一光子検出素子の製造方法の各工程を示した断面図である。
【００５６】
但し、図３では、超伝導単一光子検出素子１００の構成要件の一部（例えば、伝送経路１５や反射防止層１４など）の図示が省略されている。
【００５７】
まず、単結晶の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなり、厚みが約４００μｍのマザー基板１０Ａ（以下、「ＭｇＯ基板１０Ａ」と略す）の表面（おもて面）上に、ベタ状の窒化ニオブ層１３Ａが、Ｎｂ（ニオブ）ターゲットを用いた直流反応性スパッタリングによりエピタキシャル成膜される。この場合、放電ガスにアルゴンガスを使用し、反応ガスに窒素ガスを使用するとよい。
【００５８】
次に、窒化ニオブ層１３Ａを、電子線リソグラフィなどを活用した微細加工技術を用いてパターニングすると、図３（ａ）に示すように、ナノワイヤ１３を形成することができる。
【００５９】
次いで、図３（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、キャビティ層１２を堆積するための窓１０３が、フォトレジスト１０２に形成される。
【００６０】
そして、図３（ｃ）に示すように、一酸化珪素（ＳｉＯ）からなる厚みが約２５０ｎｍのキャビティ層１２が、フォトレジスト１０２の窓１０３内において、ナノワイヤ１３を覆うよう、真空蒸着によりＭｇＯ基板１０Ａ上に成膜される。
【００６１】
更に、図３（ｃ）に示すように、金（Ａｕ）からなる厚みが約１２０ｎｍの反射層１１が、フォトレジスト１０２の窓１０３内において、真空蒸着によりＭｇＯ基板１０Ａのキャビティ層１２上に成膜される。
【００６２】
次いで、図３（ｄ）に示すように、フォトレジスト１０２が除去されると、受光素子Ｓ（積層体１０１）が得られる。
【００６３】
次いで、図示を省略しているが、ＭｇＯ基板１０Ａの厚みの調整が必要となる場合には、ＭｇＯ基板１０Ａの裏面を研磨することにより、ＭｇＯ基板１０Ａの厚みの調整が行われる。なお、ＭｇＯ基板１０Ａの研磨法の一例については、後述の実施例において述べる。一方、ＭｇＯ基板１０の厚みＬ１（図１参照）を、４００μｍのままにするときは、上述の研磨工程を省略するとよい。
【００６４】
これにより、厚みＬ１が所望の値に設定されたＭｇＯ基板１０（図１参照）が得られる。
【００６５】
その後、ＭｇＯ基板１０の裏面に反射防止層１４（図１参照）が形成される。
【００６６】
このようにして、超伝導単一光子検出素子１００（図１参照）を製造できる。
【００６７】
次に、以上の超伝導単一光子検出素子１００が実装されたＳＳＰＤ２００について図面を参照しながら説明する。
【００６８】
図４は、本発明の実施形態のＳＳＰＤの構成の説明およびＳＳＰＤの実装方法の説明に用いる図である。
【００６９】
なお、ＳＳＰＤ２００の構成については、図４（ｄ）に示されているが、ここでは、超伝導単一光子検出素子１００の構成要素の一部（例えば、反射防止層１４）の図示が省略されている。
【００７０】
図４（ｄ）に示すように、ＳＳＰＤ２００の主要な部品（構成要素）として、銅製のパーケージブロック２２と、光伝送部品２３（光伝送手段）と、超伝導単一光子検出素子１００と、がある。
【００７１】
光伝送部品２３は、ファイバコア径（直径）が９μｍ程度の光ファイバ心線２３Ａと、光ファイバ心線２３Ａを被覆するフェルール２３Ｂ（光コネクタ）とを備える。
【００７２】
また、パーケージブロック２２は、超伝導単一光子検出素子１００の保持に用いる素子保持用ブロック２０と、光ファイバ２３の保持に用いる光ファイバ保持用ブロック２１とを備える。素子保持用ブロック２０の両端面２０Ａ、２０Ｂおよび光ファイバ保持用ブロック２１の両端面２１Ａ、２１Ｂでは、表面仕上げが施されており、平滑面となっている。
【００７３】
更に、光伝送部品保持用ブロック２１の中央部には、光伝送部品２３のフェルール２３Ｂを挿入できる程度の貫通孔２１Ｃが形成されている。また、素子保持用ブロック２０の中央部にも、厚みが２０μｍ〜３０μｍ程度のフィルム状のクリアランス調整部材２５の外寸よりも大きく、かつ、ダミーのフラット基板２６（ダミー基板）の外寸よりも小さい貫通孔２０Ｃが形成されている。なお、貫通孔２０Ｃの外寸は、貫通孔２１Ｃの外寸よりも大きい。また、フラット基板２６の外寸は、ＭｇＯ基板１０の外寸と同じ寸法になっている。
【００７４】
次に、超伝導単一光子検出素子１００と光伝送部品２３とを、パッケージブロック２２に実装するＳＳＰＤ２００の部品の実装方法について図４を参照しながら説明する。
【００７５】
図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、素子保持用ブロック２０の端面２０Ｂと光伝送部品保持用ブロック２１の端面２１Ａとが互いに密着するよう、両者は固定ボルト（図示せず）によって締結され、これにより、パーケージブロック２２が使用される。そして、この場合、光伝送部品保持用ブロック２１の貫通孔２１Ｃの中心軸と、素子保持用ブロック２０の貫通孔２０Ｃの中心軸と、がほぼ一致するよう、素子保持用ブロック２０および光伝送部品保持用ブロック２１は互いに固定される。よって、このような一対の貫通孔２０Ｃ、２１Ｃが、パーケージブロック２２に形成された貫通孔として機能する。
【００７６】
なお、素子保持用ブロック２０は、図示しないボルト締結部の遊びにより、その端面２０Ａの面内方向に僅かに動かすこともできる。このため、図４（ｄ）のＳＳＰＤ２００では、光伝送部品２３から光を出射されることにより、受光素子Ｓの面内方向の光伝送部品２３との間の位置を、当該出射光の目視により調整できる。
【００７７】
以上のパーケージブロック２２において、図４（ｂ）に示すように、貫通孔２０Ｃにフラット基板３６を被せることにより、このフラット基板２６の表面上に密着されたクリアランス調整部材２５を貫通孔２０Ｃ内に配置させる。
【００７８】
次に、図４（ｂ）に示すように、貫通孔２１Ｃ、２０Ｃ内に光伝送部品２３のフェルール２３Ｂを挿入することにより、フェルール２３Ｂの先端（ファイバ端）をクリアランス調整部材２５に当接させる。
【００７９】
次いで、図４（ｃ）に示すように、光伝送部品２３のフェルール２３Ｂの先端がクリアランス調整部材２５に当接した状態で、フェルール２３Ｂの後部を、光伝送部品保持用ブロック２１にエポキシ樹脂２４を用いて固定する。これにより、光伝送部品２３が、光伝送部品保持用ブロック２１に適切に固定され、クリアランスＬ２が適量に維持される。
【００８０】
最後に、図４（ｄ）に示すように、フラット基板２６を除去して、超伝導単一光子検出素子１００のＭｇＯ基板１０に形成された反射防止層１４（図４では図示省略）が光伝送部品２３のフェルール２３Ｂの先端と対置するよう、超伝導単一光子検出素子１００を貫通孔２０Ｃに被せる。
【００８１】
以上のＳＳＰＤ２００の実装により、ＭｇＯ基板１０（反射防止層１４）とフェルール２３Ｂの先端（後述のマイクロレンズ７５の先端）との間の距離に相当するクリアランスＬ２が、適量（例えば、２０μｍ〜３０μｍ程度）に調整されたＳＳＰＤ２００が得られる。
【００８２】
そして、このようなパーケージング方式のＳＳＰＤ２００では、ナノステージ方式の実装（詳細な説明は省略）と比べて極めて高価なステージが不要となり、コンパクトに構成できる。よって、このＳＳＰＤ２００は、量子暗号通信などの量子通信分野への利用を考慮した場合の多チャンネル化においてコスト対応力に優れる。
【００８３】
また、超伝導単一光子検出素子１００を貫通孔２０Ｃに被せた後、この超伝導単一光子検出素子１００のＭｇＯ基板１０を素子保持用ブロック２０に、極低温用接着剤の一例であるエレクトロンワックス（詳細は後述）を用いて固定すると、両者間の熱伝導性を向上できるので都合がよい。よって、ＧＭ冷凍機（図示せず）を用いて、銅製のパーケージブロック２２を極低温（４Ｋ程度）に冷却する場合に、超伝導単一光子検出素子１００を効率的に超伝導状態にできる。
【００８４】
ところで、本実施形態のＳＳＰＤ２００では、光伝送部品２３の先端部Ｔ（図４（ｄ）参照）の構造にも特徴がある。
【００８５】
図５は、図４（ｄ）の光伝送部品の先端部の構造を示した拡大図である。図５（ａ）には、光伝送部品２３の先端部Ｔの断面が図示されている。図５（ｂ）には、図５（ａ）のＶＢ−ＶＢでの光ファイバ７２の先端が図示されている。図５（ｃ）には、図５（ａ）のＶＣ−ＶＣでの屈折率分布型のマイクロレンズ７５の先端が図示されている。
【００８６】
図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、光ファイバ７２は、フェルール２３Ｂの先端からマイクロレンズ７５の長さ分だけ、後退している。つまり、フェルール２３Ｂの先端と、マイクロレンズ７５の先端と、が丁度一致するように、両者は配されている。なお、光ファイバ７２は、ファイバコア径（直径）が約９μｍのコア７１とコア７１を被覆するクラッド７０と、を備える。
【００８７】
一方、図５（ａ）および図５（ｃ）に示すように、マイクロレンズ７５は、低ＮＡレンズ７３と高ＮＡレンズ７４とからなる屈折率分布型となっており、これらのレンズ７３、７４が、光ファイバ７２の先端に調芯融着されている。これにより、光ファイバ７２のコア７１によって伝送された光がマイクロレンズ７５を用いて集光される。
【００８８】
なお、以上の光伝送部品２３として、例えば、東洋ガラス株式会社製のシリカグリンコンデンサ（登録商標）を用いることができる。よって、光伝送部品２３の各構成要素の詳細な説明は、ここでは省略する。
【００８９】
次に、光伝送部品２３のマイクロレンズ７５による光の集光性能について説明する。
【００９０】
図６は、マイクロレンズから出射された光のビームウェスト距離と、出射光のビームウェスト直径との間の関係を表した計算結果（プロファイル）を示した図である。
図６では、低ＮＡレンズ７３のＮＡと、高ＮＡレンズ７４のＮＡと、が、それぞれパラメータに取られ、合計４つのプロファイルが示されている。なお、図６のプロファイルの計算では、光ファイバ伝送に最も適した通信波長１５５０ｎｍの通信路用シングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）を用いている。また、コア径が９μｍの光ファイバのファイバ端でのモードフィールド径（ＭＦＤ）を、１５５０ｎｍの通信路用シングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）の場合の光のクラッド領域への漏れ出しを考慮して、１０．４μｍとしている。また、マイクロレンズ７５からの出射光が伝搬する雰囲気は空気としている。
【００９１】
図６に示すように、何れのプロファイルも同じ傾向を持ち、出射光のビームウェスト距離「Ｌｏ」が約１００μｍ付近では、出射光のビームウェスト直径「２ωｏ」が４μｍ〜５μｍ程度にまで、スポット径を小さくできることが分かる。よって、この場合、受光素子Ｓのサイズを小面積（例えば、５×５μｍ角）にして、素子検出効率Ｐｄを上げるとともに、受光素子Ｓの高効率光結合を実現するときに都合がよい。
【００９２】
そして、出射光のビームウェスト距離「Ｌｏ」（約１００μｍ付近）に、光伝送部品２３の先端（マイクロレンズ７５の先端）と受光素子Ｓとの間の距離（Ｌ１＋Ｌ２）を合わせるには、ＭｇＯ基板１０の厚みＬ１の調整（例えば、ＭｇＯ基板１０の厚みＬ１を５０μｍ程度まで研磨）、および、クリアランスＬ２の調整を行うとよい。ＭｇＯ基板１０の厚みＬ１の調整は、ＭｇＯ基板１０Ａの研磨（後述）により適切に行える。また、クリアランスＬ２の調整は、図４に示した実装により適切に行える。
【００９３】
また、図６に示すように、出射光のビームウェスト距離「Ｌｏ」が約４３０μｍ付近では、出射光のビームウェスト直径「２ωｏ」が１１μｍ〜１２μｍ程度にまで、スポット径を大きくできることが分かる。よって、この場合、受光素子Ｓのサイズを大面積（例えば、１５×１５μｍ角）にして、受光素子Ｓのアレイ化によって受光素子Ｓに付加機構（例えば、光子Ｐの個数の識別機能）を追加するとともに、受光素子Ｓの高効率光結合を実現するときに都合がよい。
【００９４】
そして、出射光のビームウェスト距離「Ｌｏ」（約４３０μｍ付近）に、光伝送部品２３の先端（マイクロレンズ７５の先端）と受光素子Ｓとの間の距離（Ｌ１＋Ｌ２）を合わせるには、ＭｇＯ基板１０を研磨せずに、クリアランスＬ２の調整のみを行うとよい。クリアランスＬ２の調整は、図４に示した実装により適切に行える。
【００９５】
以上により、ＭｇＯ基板１０を研磨せずに済むので、ＳＳＰＤ２００の製造プロセスの簡素化およびＭｇＯ基板１０の機械強度の充分な確保が可能になる。
【００９６】
なお、ここでは、ＭｇＯ基板１０の厚みＬ１が両極端の場合（Ｌ１＝５０μｍ、Ｌ１＝４００μｍの場合）を例示したが、これに限らない。本実施形態のＳＳＰＤ２００では、受光素子Ｓの面積に応じた、ＭｇＯ基板１０の厚みとマイクロレンズ７５のレンズ設計との間の好適な組合せにより、ＳＳＰＤ７５の機械強度および製造プロセスの最適化を図ることができる。
【００９７】
次に、ＳＳＰＤ２００のシステム検出効率Ｒの、マイクロレンズ７５の有無による依存性について実験検証した結果の一例を述べる。
【００９８】
図７は、マイクロレンズが融着されたＳＳＰＤ（「レンズ付きＳＳＰＤ」という）およびマイクロレンズが融着されなかったＳＳＰＤ（「レンズなしＳＳＰＤ」という）のそれぞれのシステム検出効率の測定値をプロットした図である。
【００９９】
図７の横軸には、システムの雑音に相当する暗計数（ｃ／ｓ；カウント／秒）が取られ、図８の縦軸には、システム検出効率Ｒ（％）が取られている。
【０１００】
本検証実験では、光ファイバ伝送に最も適した通信波長１５５０ｎｍの通信路用シングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）が用いられ、１５×１５μｍ角の受光素子Ｓが用いられている。また、ＭｇＯ基板１０の裏面を研磨せずに、その厚みＬ１は、４００μｍ程度となっている。また、クリアランスＬ２は、約３０μｍ程度となっている。
【０１０１】
なお、光ファイバのコア径は約９μｍであるが、上述のとおり、１５５０ｎｍの通信路用シングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）の場合、光のクラッド領域への漏れ出しにより、ＭＦＤは、１０．４μｍ程度となる。
【０１０２】
図７に示すように、所望の暗計数（１０２ｃ／ｓ）において、レンズなしＳＳＰＤのプロット（図７の黒丸）のシステム検出効率Ｒが約２．５％であったのに対し、レンズ付きＳＳＰＤのプロット（図７の白丸）のシステム検出効率Ｒが約２０％であった。また、図７から容易に理解できるとおり、全ての暗計数に亘って、レンズ付きＳＳＰＤのシステム検出効率Ｒが、レンズなしＳＳＰＤのそれよりも高くなっている。
【０１０３】
よって、ＳＳＰＤ２００の高効率光結合を図るときのマイクロレンズ７５の有用性を検証できた。
【０１０４】
以上のとおり、本実施形態のＳＳＰＤ２００では、マイクロレンズ７５からの出射光が、窒化ニオブ配線１３が形成された受光素子Ｓにおいて所定のビームウェスト直径「２ωｏ」となるよう、マイクロレンズ７５の先端から受光素子Ｓまでの距離が調整されている。
【０１０５】
また、本実施形態のＳＳＰＤ２００では、上記距離の調整の一例として、ＭｇＯ基板１０Ａの裏面を削っている。
【０１０６】
これにより、ＭｇＯ基板１０Ａの厚み（例えば、４００μｍ）を容易に変更できるので、ＳＳＰＤ２００の用途に合わせて、マイクロレンズ７５の先端から受光素子Ｓまでの距離を適宜、調整できる。
【０１０７】
つまり、本実施形態のＳＳＰＤ２００では、受光素子Ｓのサイズに適合した高効率光結合を実現できる。このため、小面積（例えば、５×５μｍ角）から大面積（例えば、１５×１５μｍ角）に亘る様々なサイズの受光素子Ｓを用いても、ＳＳＰＤ２００を、そのシステム検出効率Ｒが、従来のＳＳＰＤのそれよりも向上するように構成できる。
【０１０８】
なお、本明細書においては、本実施形態のＳＳＰＤ２００の用途として、量子通信分野を述べたが、これはあくまで一例に過ぎない。ＳＳＰＤ２００は、量子通信分野への利用の他、テラヘルツ（ＴＨｚ）エレクトロニクス技術、Ｘ線観測技術、質量分析技術などの様々なエネルギー粒子検出分野に応用できる。
【実施例】
【０１０９】
以下、ＭｇＯ基板１０Ａの裏面の研磨法の一例および本実施形態のＳＳＰＤ２００の実装例について述べる。
（ＭｇＯ基板１０Ａの裏面の研磨法）
図８は、受光素子が搭載されたＭｇＯ基板の研磨システムを示した図である。
【０１１０】
図８に示すように、受講素子Ｓ（図８では図示せず）が搭載されたＭｇＯ基板１０Ａが、台座６１にセットされている。そして、この台座６１上のＭｇＯ基板１０Ａの裏面が、研磨シート６０によって機械的に研磨され、ＭｇＯ基板１０Ａの研磨量がマイクロメータ６２によってリアルタイムにモニターされている。
【０１１１】
なお、ここでの研磨システムの詳細は、以下のとおりである。
【０１１２】
研磨機： ALLIED社製 MULTI PREPTM（商標）システム
研磨シート６０：ALLIED社製 DIAMOND LAPPING FILM(８インチＤＩＳＫ)
研磨シート６０中のダイヤモンド粒径：３μｍ、または、５μｍ
ステージ回転速度：１２０ｒｐｍ
研磨レート：３μｍ/分（５μｍの研磨シート６０の使用時）
：１μｍ/分（３μｍの研磨シート６０の使用時）
以上のＭｇＯ基板１０Ａの裏面の研磨法によれば、ＭｇＯ基板１０Ａの厚みをリアルタイムにモニターしながらＭｇＯ基板１０Ａの裏面を研磨できるので、ＭｇＯ基板１０Ａを所望の厚さに容易に制御できる。
（ＳＳＰＤ２００の実装例）
図９では、光伝送部品２３が光伝送部品保持用ブロック２１に実装された写真が掲載されている。
【０１１３】
また、図１０では、受光素子Ｓが搭載されたＭｇＯ基板１０が、素子保持用ブロック２０に実装された写真が掲載されている。
【０１１４】
図１０に示すように、ＳＳＰＤ２００（図４参照）は、パーケージング方式の実装を用いてコンパクトに構成されている。よって、このＳＳＰＤ２００は、量子暗号通信などの量子通信分野への利用を考慮した場合の多チャンネル化においてコスト対応力に優れる。
【０１１５】
また、図１０に示すように、素子保持用ブロック２０の表面には、ＭｇＯ基板１０の外寸と同寸法の凹部が形成され、凹部の近傍に同軸コネクタ５１が配されている。
【０１１６】
そして、この凹部内にＭｇＯ基板１０が嵌め込まれ、ＭｇＯ基板１０の四隅と素子保持用ブロック２０の表面とを跨ぐように、極低温用接着剤(本例ではエレクトロンワックス)５０が配されている。このエレクトロンワックス５０により、ＭｇＯ基板１０が、素子保持用ブロック２０に適切に固定され、クリアランスＬ２が適量に維持される。また、ＭｇＯ基板１０と素子保持用ブロック２０との間の熱伝導性がエレクトロンワックス５０を用いて適切に向上する。
【産業上の利用可能性】
【０１１７】
本発明によれば、積層構造の受光素子のサイズに適合して高効率光結合を実現できる超伝導単一光子検出器が得られる。
【０１１８】
よって、本発明は、光ファイバ伝送に最も適した通信波長でのシステム検出効率の向上を図れ、例えば、量子暗号通信などの量子通信分野の検出素子にとして利用することができる。
【符号の説明】
【０１１９】
１０、１０Ａ ＭｇＯ基板
１１ 反射層
１２ キャビティ層
１３ ナノワイヤ
１３Ａ 窒化ニオブ層
１４ 反射防止層
１５ 伝送経路
２０ 素子保持用ブロック
２１ 光伝送部品保持用ブロック
２２ パーケージブロック
２３ 光伝送部品
２３Ａ 光ファイバ心線
２３Ｂ フェルール
２４ エポキシ樹脂
２５ クリアランス調整部材
２６ フラット基板
５０ 極低温用接着剤（エレクトロンワックス）
５１ 同軸コネクタ
６０ 研磨シート
６１ 台座
６２ マイクロメータ
７０ クラッド
７１ コア
７２ 光ファイバ
７３ 低ＮＡレンズ
７４ 高ＮＡレンズ
７５ マイクロレンズ
１０１ 積層体
１０２ フォトレジスト
１０３ フォトレジストの窓
１００ 超伝導単一光子検出素子
２００ 超伝導単一光子検出器（ＳＳＰＤ）
Ｌ１ ＭｇＯ基板の厚み
Ｌ２ クリアランス
Ｓ 受光素子
Ｐ 光子
Ｐｃ 光カップリング効率
Ｐａ 光吸収効率
Ｐｄ 素子検出効率
Ｒ システム検出効率
Ｔ 光伝送部品の先端部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導単一光子検出器（Superconducting Single Photon Detector；以下、「ＳＳＰＤ」と略す場合がある）およびＳＳＰＤの実装方法に関する。特に、本発明は、窒化ニオブ（ＮｂＮ）からなる超伝導状態の窒化ニオブ配線（以下、「ナノワイヤ」と略す場合がある）を用いたＳＳＰＤの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
光子を１個ずつ検出できる超伝導単一光子検出素子を閉サイクル冷凍機に組み込み、ＳＳＰＤシステムを構成すると、多チャンネル化（例えば、６個のＳＳＰＤによる６チャンネル化）、安定動作、連続動作を実現できる。
このため、このようなＳＳＰＤシステムについて、様々な応用分野への有用性が認知されつつある。例えば、盗聴を不可能にする量子暗号通信などの量子通信分野への利用が期待されている。
【０００３】
そこで、超伝導単一光子検出素子の一例として、単一の窒化ニオブ層が酸化マグネシウム基板（以下、「ＭｇＯ基板」という）上に形成された単層構造の検出素子（以下、「単層構造素子」と略す）がすでに開発されている。
【０００４】
この単層構造出素子では、窒化ニオブ層からなるメアンダ状（蛇行形状）のナノワイヤが、ＭｇＯ基板の表面に形成されている。
これにより、ＭｇＯ基板の表面に向けて光を入射できる。よって、単層構造素子は、光ファイバから出射された光とナノワイヤ素子との高光カップリングを容易に実現でき、光子との光カップリング性に優れている。
【０００５】
しかし、単層構造素子では、光吸収効率が、ナノワイヤでの光反射および光透過特性によって制約されるといった欠点がある。つまり、薄膜（厚み６ｎｍ程度）のナノワイヤにおいて光の反射や透過が生じて、ナノワイヤによる光吸収性が芳しくなく（光吸収効率が最大でも３０％程度と予測される）、ひいては、単層構造素子を用いたＳＳＰＤのシステム検出効率の低下を招いている。
【０００６】
なお、本明細書において、「システム検出効率」とは、ＳＳＰＤのシステムとしての検出効率を指し、光子検出システムに単一光子を入れる際の、当該光子を検出できる確率を指す。具体的には、システム検出効率Ｒは、下記式（１）で表される。
【０００７】
Ｒ＝Ｐｃ×Ｐａ×Ｐｄ・・・（１）
式（１）において、「Ｐｃ」は、光子がナノワイヤとカップリングできる割合に対応する光カップリング効率（光結合効率）である。「Ｐａ」は、ナノワイヤでの光子吸収割合に対応する光吸収効率である。また、「Ｐｄ」は、光子が受光素子に入射した際に信号が発生する割合に対応する素子検出効率である。
【０００８】
そこで、以上のシステム検出効率Ｒの改善を図る目的で、単層構造素子に代えて、積層構造（光キャビティ構造）の超伝導単一光子検出素子（以下、「従来の積層構造素子」と略す）が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００９】
この従来の積層構造素子では、サファイア基板の表面側に、窒化ニオブ層（後工程においてメアンダ状のナノワイヤに微細加工）、誘電体キャビティ層（例えば、水素シルセスキオキサン（ＨＱＳ）からなるキャビティ層）および反射層（例えばＡｕ（金）層）が配されている。
【００１０】
以上の構成により、キャビティ層内に光子を閉じ込めることができるので、単層構造素子に比べて吸収効率Ｐａが改善する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】23 January 2006/Vol.14, No 2/OPTICS EXPRESS 527-534
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、従来の積層構造素子では、受光素子を構成するナノワイヤが形成されたサファイア基板の表面と反対の裏面側から光を照射する必要がある。よって、受光面積の小さなナノワイヤ素子に入射光を集光させることが難しく、光子との光カップリング性において難点がある。
【００１３】
このため、従来の積層構造素子では、光カップリング効率Ｐｃが、単層構造素子に比べて悪化して、却って、システム検出効率Ｒの向上が図れないことがある。特に、素子の受光面積を小さくする程、素子検出効率Ｐｄを改善できることが知られているにもかかわらず、従来の積層構造素子では、受光面積がファイバコアの面積よりも小さい場合、光カップリング性の悪化が避けられないという問題がある。
【００１４】
例えば、ＭｇＯ基板の機械強度を考慮すると、ＭｇＯ基板の研磨限界は、厚みで４０μｍ〜５０μｍ程度となると考えられる。よって、基板の厚みが５０μｍの場合、ファイバコア径が約９μｍの光ファイバからの出射光の、基板表面でのスポット径は、ガウシアン近似により１５μｍ程度と見積もれる。このため、このスポット径（１５μｍ程度）よりも小さな積層構造の受光素子については、高効率光結合を実現できない。
【００１５】
以上のとおり、単層構造素子および従来の積層構造素子の何れにも、システム検出効率Ｒの向上において一長一短があり、未だ、ＳＳＰＤのシステム検出効率Ｒは改善の余地が充分にあると考えられる。
【００１６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、積層構造の受光素子のサイズに適合して高効率光結合を実現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。
また、本発明は、このような超伝導単一光子検出器の実装方法を提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するため、本発明は、酸化マグネシウムからなる基板と、前記基板の表面に形成された窒化ニオブ配線と、前記窒化ニオブ配線上に形成されたキャビティ層と、前記キャビティ層上に形成された反射層と、前記基板の裏面に形成された反射防止層と、を有する超伝導単一光子検出素子と、
光ファイバと、前記光ファイバの先端に調芯融着されたレンズと、を有する光伝送手段と、
を備え、
前記窒化ニオブ配線は、所定のバイアス電流が流れるよう、伝送線路を介してバイアス源に接続されて、超伝導状態において使用され、
前記窒化ニオブ配線に光子が入射した際の前記窒化ニオブ配線の抵抗変化に基づいて、前記光子が、前記超伝導単一光子検出素子において１個ずつ検出され、
前記レンズからの出射光が、前記窒化ニオブ配線において所定のビームウェスト直径となるよう、前記レンズの先端から前記窒化ニオブ配線までの距離が調整されている、超伝導単一光子検出器を提供する。
【００１８】
これにより、本発明の超伝導単一光子検出器では、受光素子のサイズに適合した高効率光結合を実現できる。このため、小面積（例えば、５×５μｍ角）から大面積（例えば、１５×１５μｍ角）に亘る様々なサイズの受光素子を用いても、超伝導単一光子検出器を、そのシステム検出効率が、従来の超伝導単一光子検出器のそれよりも向上するように構成できる。
【００１９】
また、本発明の超伝導単一光子検出器では、前記距離の調整の一例として、前記基板の裏面を削るとよい。
【００２０】
これにより、マザー基板の厚み（例えば、４００μｍ）を容易に変更できるので、超伝導単一光子検出器の用途に合わせて、レンズの先端から受光素子までの距離を適宜、調整できる。
【００２１】
また、本発明は、上記記載の超伝導単一光子検出素子と上記記載の光伝送手段とを、パーケージブロックに実装する超伝導単一光子検出器の実装方法であって、
前記パーケージブロックに形成された貫通孔にダミー基板を被せることにより、前記ダミー基板上に密着されたクリアランス調整部材を前記貫通孔内に配する工程と、
前記貫通孔内に前記光伝送手段を挿入することにより、前記光伝送手段のレンズの先端を前記クリアランス調整部材に当接させる工程と、
前記ダミー基板を除去して、前記超伝導単一光子検出素子の基板の反射防止層が前記レンズの先端と対置するよう、前記超伝導単一光子検出素子を前記貫通孔に被せる工程と、を含む超伝導単一光子検出器の実装方法を提供する。
【００２２】
以上の超伝導単一光子検出器の実装方法により、光伝送手段の先端と超伝導単一光子検出素子の基板（反射防止層）との間の距離に相当するクリアランスが適量に調整でき、ひいては、レンズの先端から窒化ニオブ配線までの距離を適切に設定できる。
【００２３】
また、以上のパッケージング方式の実装方法により、ＳＳＰＤをコンパクトに構成できる。よって、このＳＳＰＤは、量子暗号通信などの量子通信分野への利用を考慮した場合の多チャンネル化においてコスト対応力に優れる。
【００２４】
また、本発明の超伝導単一光子検出器の実装方法では、前記レンズの先端が前記クリアランス調整部材に当接した状態で、前記光伝送手段を前記パーケージブロックに樹脂材料を用いて固定する工程を更に含んでもよい。
【００２５】
これにより、光伝送手段が適切に固定され、上記クリアランスが適量に維持される。
【００２６】
また、本発明の超伝導単一光子検出器の実装方法では、前記超伝導単一光子検出素子を前記貫通孔に被せた後、前記超伝導単一光子検出素子を前記パーケージブロックに極低温用接着剤(例:エレクトロンワックス)を用いて固定する工程を更に含んでもよい。
【００２７】
以上の極低温用接着剤(例:エレクトロンワックス)により、超伝導単一光子検出素子が、パーケージブロックに適切に固定され、上記クリアランスが適量に維持される。また、超伝導単一光子検出素子とパーケージブロックとの間の熱伝導性が極低温用接着剤(例:エレクトロンワックス)を用いて適切に向上する。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、積層構造の受光素子のサイズに適合して高効率光結合を実現できる超伝導単一光子検出器が得られる。
【００２９】
また、このような超伝導単一光子検出器の実装方法も得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施形態のＳＳＰＤに用いる超伝導単一光子検出素子の一構成例を模式的に示した図である。
【図２】本発明の実施形態のＳＳＰＤに用いる超伝導単一光子検出素子による光子検出法を示した模式図である。
【図３】本発明の実施形態のＳＳＰＤに用いる超伝導単一光子検出素子の製造方法の各工程を示した断面図である。
【図４】本発明の実施形態のＳＳＰＤの構成の説明およびＳＳＰＤの実装方法の説明に用いる図である。
【図５】図４（ｄ）の光伝送部品の先端部の構造を示した図である。
【図６】マイクロレンズから出射された光のビームウェスト距離と、出射光のビームウェスト直径との間の関係を表した計算結果（プロファイル）を示した図である。
【図７】マイクロレンズが融着されたＳＳＰＤおよびマイクロレンズが融着されなかったＳＳＰＤのそれぞれのシステム検出効率の測定値をプロットした図である。
【図８】受光素子が搭載されたＭｇＯ基板の研磨システムを示した図である。
【図９】光ファイバが光ファイバ保持用ブロックに実装された写真を掲載した図である。
【図１０】受光素子が搭載されたＭｇＯ基板が素子保持用ブロックに実装された写真を掲載した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００３２】
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。
【００３３】
また、本発明は、以下の実施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。
【００３４】
例えば、以下に述べる「屈折率分布型のマイクロレンズ７５」は、本発明の構成要素である「レンズ」の一例に過ぎない。
（実施形態）
図１は、本発明の実施形態のＳＳＰＤに用いる超伝導単一光子検出素子の一構成例を模式的に示した図である。図１（ａ）は、超伝導単一光子検出素子の受光素子周辺を上方から平面視した図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った部分の断面を示した断面図である。
【００３５】
図１に示すように、超伝導単一光子検出素子１００は、光子Ｐが酸化マグネシウム（ＭｇＯ）単結晶基板１０（以下、「ＭｇＯ基板１０」と略す）の裏面側から入射する裏面入射式の光キャビティ構造を備える。
【００３６】
まず、超伝導単一光子検出素子１００の受光素子Ｓの平面構造について述べる。
【００３７】
超伝導単一光子検出素子１００の受光素子Ｓは、平面視においては、図１（ａ）に示すように、メアンダ状（蛇行形状）のナノワイヤ１３を備える。このナノワイヤ１３は、例えば、数十〜数百ナノメートル線幅で所定のピッチに形成され、適宜の冷却手段（例えば、ＧＭ型冷凍機）を用いて超伝導状態で使用される。
ここで、受光素子Ｓを平面視したサイズは、超伝導単一光子検出素子１００の使用目的に合わせて決めるとよい。例えば、素子検出効率Ｐｄを上げるには、受光素子Ｓのサイズを小面積（例えば、５×５μｍ角）にするとよい。一方、受光素子Ｓのアレイ化によって受光素子Ｓに付加機構（例えば、光子Ｐの個数の識別機能）を追加するには、受光素子Ｓのサイズを大面積（例えば、１５×１５μｍ角）にするとよい。
そこで、本実施形態のＳＳＰＤ２００（図４（ｄ）参照）は、小面積から大面積までの様々なサイズの受光素子Ｓに適合して高効率光結合を実現できることを特徴としているが、その詳細は後述する。
【００３８】
なお、このナノワイヤ１３は、数ナノメートル（ここでは、６ｎｍ）の厚みの窒化ニオブ層１３Ａを、電子線などを用いてパターニングすることにより製作することができる。
【００３９】
また、ナノワイヤ１３は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、略Ｕ次状の伝送経路１５（厚み：１５０ｎｍ）と矩形状の伝送経路１５（厚み：１５０ｎｍ）とに接続されている。そして、ナノワイヤ１３は、臨界電流を僅かに下回る所望のバイアス電流が流れるように、伝送経路１５を介してバイアス源（図示せず）の出力端子に接続されている。このように、伝送経路１５は、ナノワイヤ１３にバイアス電流を流す経路として機能している。
【００４０】
なお、この伝送経路１５は、窒化ニオブ層１３Ａとの接触面で超伝導単一光子検出素子１００が破壊され難くする目的で、窒化ニオブ層１３Ａと同じ材料により構成するとよい。
【００４１】
次に、超伝導単一光子検出素子１００の受光素子Ｓの積層構造について述べる。
【００４２】
超伝導単一光子検出素子１００は、断面視においては、図１（ｂ）に示すように、ＭｇＯ基板１０と、ＭｇＯ基板１０の表面に設けられた積層体１０１と、ＭｇＯ基板１０の裏面に形成された反射防止層１４と、を備える。つまり、受光素子Ｓは、この積層体１０１によって構成されている。
【００４３】
なお、本実施形態では、ＭｇＯ基板１０の厚みＬ１は、例えば、４００μｍ程度のマザー基板の裏面を研磨ことにより、ＭｇＯ基板１０の機械強度から導かれる研磨限界（例えば、４０μｍ〜５０μｍ）まで適宜、設定できる。ＭｇＯ基板１０を平面視したサイズは、例えば、３ｍｍ角程度にするとよい。
【００４４】
積層体１０１は、図１（ｂ）に示すように、ＭｇＯ基板１０上に堆積されたベタ状の窒化ニオブ層１３Ａがパターニングされてなるナノワイヤ１３（窒化ニオブ配線）と、このナノワイヤ１３を覆うように形成されたキャビティ層１２と、キャビティ層１２上に形成された反射層１１と、を備える。
【００４５】
積層体１０１の反射層１１は、ここでは、厚みが約１２０ｎｍの金属製（例えば、金（Ａｕ））の薄膜反射ミラーである。但し、反射層１１として、反射率に優れた部材であれば、他の部材（例えば、銀（Ａｇ）の薄膜反射ミラー）を用いてもよい。
【００４６】
積層体１０１のキャビティ層１２は、ここでは、一酸化珪素（ＳｉＯ）からなり、厚みが約２５０ｎｍに設定された光共振器として機能する層である。但し、キャビティ層１２として、他の誘電体材料（例えば、二酸化珪素）を用いてもよい。
【００４７】
以上の反射層１１およびキャビティ層１２によって、ＭｇＯ基板１０の裏面から受光素子Ｓに入射した光子Ｐはキャビティ層１２内に適切に閉じ込められる。
【００４８】
また、反射防止層１４は、ここでは、アモルファスフッ素樹脂（旭硝子社製、製品名「サイトップ」（登録商標））からなり、厚みが約２００〜３００ｎｍに設定され、受光素子Ｓ内に光子Ｐが入る際の反射を防止する無反射コート層である。
【００４９】
次に、超伝導単一光子検出素子１００の受光素子Ｓにおける光子Ｐの検出法について概説する。
【００５０】
図２は、本発明の実施形態のＳＳＰＤに用いる超伝導単一光子検出素子による光子検出法を示した模式図である。
【００５１】
図２に示すように、ナノワイヤ１３に光子Ｐ（シングルフォトン）が入射すると、光子Ｐが入射した箇所ではキャップエネルギーを超えることになり、その結果、ホットスポットという常伝導領域Ａ（高抵抗領域）が発生する。この場合、図２の拡大図に示すように、電流Ｃは、高抵抗の領域Ａを迂回するように領域Ａの両側のナノワイヤ１３の部分に集中的に流れる。すると、領域Ａの周囲を流れる電流Ｃは臨界電流を超え、領域Ａの両側の部分も常伝導状態になり、常伝導状態の領域Ａは、ナノワイヤ１３の幅方向全域に亘るように一時的に広がる。このようにして、常伝導領域Ａの発生および常伝導領域Ａの超伝導状態への回復過程におけるナノワイヤ１３の幅方向全域に亘る抵抗変化に基づいて、ナノワイヤ１３に入った光子Ｐは、電圧信号として１個ずつ適切に検出され、この電圧信号が伝送経路１５から外部に取り出される。
【００５２】
なお、以上のナノワイヤ１３を臨界電流近傍にバイアスすることにより、光子Ｐを１個ずつ検出できる超伝導単一光子検出素子の検出法自体は公知である（例えば、公知文献としての「IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL.11, NO.1, MARCH 2001 P574-577」参照）。よって、この検出法の詳細な説明は省略する。
【００５３】
また、本実施形態の超伝導単一光子検出素子１００では、ナノワイヤ１３をメアンダ状に形成しているが、メアンダタイプのナノワイヤについても、上述の公知文献や上述の非特許文献１に記載されている。よって、メアンダ構造のナノワイヤの詳細な説明についても省略する。
【００５４】
次に、本実施形態の超伝導単一光子検出素子１００の製法について説明する。
【００５５】
図３は、本発明の実施形態のＳＳＰＤに用いる超伝導単一光子検出素子の製造方法の各工程を示した断面図である。
【００５６】
但し、図３では、超伝導単一光子検出素子１００の構成要件の一部（例えば、伝送経路１５や反射防止層１４など）の図示が省略されている。
【００５７】
まず、単結晶の酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなり、厚みが約４００μｍのマザー基板１０Ａ（以下、「ＭｇＯ基板１０Ａ」と略す）の表面（おもて面）上に、ベタ状の窒化ニオブ層１３Ａが、Ｎｂ（ニオブ）ターゲットを用いた直流反応性スパッタリングによりエピタキシャル成膜される。この場合、放電ガスにアルゴンガスを使用し、反応ガスに窒素ガスを使用するとよい。
【００５８】
次に、窒化ニオブ層１３Ａを、電子線リソグラフィなどを活用した微細加工技術を用いてパターニングすると、図３（ａ）に示すように、ナノワイヤ１３を形成することができる。
【００５９】
次いで、図３（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、キャビティ層１２を堆積するための窓１０３が、フォトレジスト１０２に形成される。
【００６０】
そして、図３（ｃ）に示すように、一酸化珪素（ＳｉＯ）からなる厚みが約２５０ｎｍのキャビティ層１２が、フォトレジスト１０２の窓１０３内において、ナノワイヤ１３を覆うよう、真空蒸着によりＭｇＯ基板１０Ａ上に成膜される。
【００６１】
更に、図３（ｃ）に示すように、金（Ａｕ）からなる厚みが約１２０ｎｍの反射層１１が、フォトレジスト１０２の窓１０３内において、真空蒸着によりＭｇＯ基板１０Ａのキャビティ層１２上に成膜される。
【００６２】
次いで、図３（ｄ）に示すように、フォトレジスト１０２が除去されると、受光素子Ｓ（積層体１０１）が得られる。
【００６３】
次いで、図示を省略しているが、ＭｇＯ基板１０Ａの厚みの調整が必要となる場合には、ＭｇＯ基板１０Ａの裏面を研磨することにより、ＭｇＯ基板１０Ａの厚みの調整が行われる。なお、ＭｇＯ基板１０Ａの研磨法の一例については、後述の実施例において述べる。一方、ＭｇＯ基板１０の厚みＬ１（図１参照）を、４００μｍのままにするときは、上述の研磨工程を省略するとよい。
【００６４】
これにより、厚みＬ１が所望の値に設定されたＭｇＯ基板１０（図１参照）が得られる。
【００６５】
その後、ＭｇＯ基板１０の裏面に反射防止層１４（図１参照）が形成される。
【００６６】
このようにして、超伝導単一光子検出素子１００（図１参照）を製造できる。
【００６７】
次に、以上の超伝導単一光子検出素子１００が実装されたＳＳＰＤ２００について図面を参照しながら説明する。
【００６８】
図４は、本発明の実施形態のＳＳＰＤの構成の説明およびＳＳＰＤの実装方法の説明に用いる図である。
【００６９】
なお、ＳＳＰＤ２００の構成については、図４（ｄ）に示されているが、ここでは、超伝導単一光子検出素子１００の構成要素の一部（例えば、反射防止層１４）の図示が省略されている。
【００７０】
図４（ｄ）に示すように、ＳＳＰＤ２００の主要な部品（構成要素）として、銅製のパーケージブロック２２と、光伝送部品２３（光伝送手段）と、超伝導単一光子検出素子１００と、がある。
【００７１】
光伝送部品２３は、ファイバコア径（直径）が９μｍ程度の光ファイバ心線２３Ａと、光ファイバ心線２３Ａを被覆するフェルール２３Ｂ（光コネクタ）とを備える。
【００７２】
また、パーケージブロック２２は、超伝導単一光子検出素子１００の保持に用いる素子保持用ブロック２０と、光ファイバ２３の保持に用いる光ファイバ保持用ブロック２１とを備える。素子保持用ブロック２０の両端面２０Ａ、２０Ｂおよび光ファイバ保持用ブロック２１の両端面２１Ａ、２１Ｂでは、表面仕上げが施されており、平滑面となっている。
【００７３】
更に、光伝送部品保持用ブロック２１の中央部には、光伝送部品２３のフェルール２３Ｂを挿入できる程度の貫通孔２１Ｃが形成されている。また、素子保持用ブロック２０の中央部にも、厚みが２０μｍ〜３０μｍ程度のフィルム状のクリアランス調整部材２５の外寸よりも大きく、かつ、ダミーのフラット基板２６（ダミー基板）の外寸よりも小さい貫通孔２０Ｃが形成されている。なお、貫通孔２０Ｃの外寸は、貫通孔２１Ｃの外寸よりも大きい。また、フラット基板２６の外寸は、ＭｇＯ基板１０の外寸と同じ寸法になっている。
【００７４】
次に、超伝導単一光子検出素子１００と光伝送部品２３とを、パッケージブロック２２に実装するＳＳＰＤ２００の部品の実装方法について図４を参照しながら説明する。
【００７５】
図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、素子保持用ブロック２０の端面２０Ｂと光伝送部品保持用ブロック２１の端面２１Ａとが互いに密着するよう、両者は固定ボルト（図示せず）によって締結され、これにより、パーケージブロック２２が使用される。そして、この場合、光伝送部品保持用ブロック２１の貫通孔２１Ｃの中心軸と、素子保持用ブロック２０の貫通孔２０Ｃの中心軸と、がほぼ一致するよう、素子保持用ブロック２０および光伝送部品保持用ブロック２１は互いに固定される。よって、このような一対の貫通孔２０Ｃ、２１Ｃが、パーケージブロック２２に形成された貫通孔として機能する。
【００７６】
なお、素子保持用ブロック２０は、図示しないボルト締結部の遊びにより、その端面２０Ａの面内方向に僅かに動かすこともできる。このため、図４（ｄ）のＳＳＰＤ２００では、光伝送部品２３から光を出射されることにより、受光素子Ｓの面内方向の光伝送部品２３との間の位置を、当該出射光の目視により調整できる。
【００７７】
以上のパーケージブロック２２において、図４（ｂ）に示すように、貫通孔２０Ｃにフラット基板３６を被せることにより、このフラット基板２６の表面上に密着されたクリアランス調整部材２５を貫通孔２０Ｃ内に配置させる。
【００７８】
次に、図４（ｂ）に示すように、貫通孔２１Ｃ、２０Ｃ内に光伝送部品２３のフェルール２３Ｂを挿入することにより、フェルール２３Ｂの先端（ファイバ端）をクリアランス調整部材２５に当接させる。
【００７９】
次いで、図４（ｃ）に示すように、光伝送部品２３のフェルール２３Ｂの先端がクリアランス調整部材２５に当接した状態で、フェルール２３Ｂの後部を、光伝送部品保持用ブロック２１にエポキシ樹脂２４を用いて固定する。これにより、光伝送部品２３が、光伝送部品保持用ブロック２１に適切に固定され、クリアランスＬ２が適量に維持される。
【００８０】
最後に、図４（ｄ）に示すように、フラット基板２６を除去して、超伝導単一光子検出素子１００のＭｇＯ基板１０に形成された反射防止層１４（図４では図示省略）が光伝送部品２３のフェルール２３Ｂの先端と対置するよう、超伝導単一光子検出素子１００を貫通孔２０Ｃに被せる。
【００８１】
以上のＳＳＰＤ２００の実装により、ＭｇＯ基板１０（反射防止層１４）とフェルール２３Ｂの先端（後述のマイクロレンズ７５の先端）との間の距離に相当するクリアランスＬ２が、適量（例えば、２０μｍ〜３０μｍ程度）に調整されたＳＳＰＤ２００が得られる。
【００８２】
そして、このようなパーケージング方式のＳＳＰＤ２００では、ナノステージ方式の実装（詳細な説明は省略）と比べて極めて高価なステージが不要となり、コンパクトに構成できる。よって、このＳＳＰＤ２００は、量子暗号通信などの量子通信分野への利用を考慮した場合の多チャンネル化においてコスト対応力に優れる。
【００８３】
また、超伝導単一光子検出素子１００を貫通孔２０Ｃに被せた後、この超伝導単一光子検出素子１００のＭｇＯ基板１０を素子保持用ブロック２０に、極低温用接着剤の一例であるエレクトロンワックス（詳細は後述）を用いて固定すると、両者間の熱伝導性を向上できるので都合がよい。よって、ＧＭ冷凍機（図示せず）を用いて、銅製のパーケージブロック２２を極低温（４Ｋ程度）に冷却する場合に、超伝導単一光子検出素子１００を効率的に超伝導状態にできる。
【００８４】
ところで、本実施形態のＳＳＰＤ２００では、光伝送部品２３の先端部Ｔ（図４（ｄ）参照）の構造にも特徴がある。
【００８５】
図５は、図４（ｄ）の光伝送部品の先端部の構造を示した拡大図である。図５（ａ）には、光伝送部品２３の先端部Ｔの断面が図示されている。図５（ｂ）には、図５（ａ）のＶＢ−ＶＢでの光ファイバ７２の先端が図示されている。図５（ｃ）には、図５（ａ）のＶＣ−ＶＣでの屈折率分布型のマイクロレンズ７５の先端が図示されている。
【００８６】
図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、光ファイバ７２は、フェルール２３Ｂの先端からマイクロレンズ７５の長さ分だけ、後退している。つまり、フェルール２３Ｂの先端と、マイクロレンズ７５の先端と、が丁度一致するように、両者は配されている。なお、光ファイバ７２は、ファイバコア径（直径）が約９μｍのコア７１とコア７１を被覆するクラッド７０と、を備える。
【００８７】
一方、図５（ａ）および図５（ｃ）に示すように、マイクロレンズ７５は、低ＮＡレンズ７３と高ＮＡレンズ７４とからなる屈折率分布型となっており、これらのレンズ７３、７４が、光ファイバ７２の先端に調芯融着されている。これにより、光ファイバ７２のコア７１によって伝送された光がマイクロレンズ７５を用いて集光される。
【００８８】
なお、以上の光伝送部品２３として、例えば、東洋ガラス株式会社製のシリカグリンコンデンサ（登録商標）を用いることができる。よって、光伝送部品２３の各構成要素の詳細な説明は、ここでは省略する。
【００８９】
次に、光伝送部品２３のマイクロレンズ７５による光の集光性能について説明する。
【００９０】
図６は、マイクロレンズから出射された光のビームウェスト距離と、出射光のビームウェスト直径との間の関係を表した計算結果（プロファイル）を示した図である。
図６では、低ＮＡレンズ７３のＮＡと、高ＮＡレンズ７４のＮＡと、が、それぞれパラメータに取られ、合計４つのプロファイルが示されている。なお、図６のプロファイルの計算では、光ファイバ伝送に最も適した通信波長１５５０ｎｍの通信路用シングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）を用いている。また、コア径が９μｍの光ファイバのファイバ端でのモードフィールド径（ＭＦＤ）を、１５５０ｎｍの通信路用シングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）の場合の光のクラッド領域への漏れ出しを考慮して、１０．４μｍとしている。また、マイクロレンズ７５からの出射光が伝搬する雰囲気は空気としている。
【００９１】
図６に示すように、何れのプロファイルも同じ傾向を持ち、出射光のビームウェスト距離「Ｌｏ」が約１００μｍ付近では、出射光のビームウェスト直径「２ωｏ」が４μｍ〜５μｍ程度にまで、スポット径を小さくできることが分かる。よって、この場合、受光素子Ｓのサイズを小面積（例えば、５×５μｍ角）にして、素子検出効率Ｐｄを上げるとともに、受光素子Ｓの高効率光結合を実現するときに都合がよい。
【００９２】
そして、出射光のビームウェスト距離「Ｌｏ」（約１００μｍ付近）に、光伝送部品２３の先端（マイクロレンズ７５の先端）と受光素子Ｓとの間の距離（Ｌ１＋Ｌ２）を合わせるには、ＭｇＯ基板１０の厚みＬ１の調整（例えば、ＭｇＯ基板１０の厚みＬ１を５０μｍ程度まで研磨）、および、クリアランスＬ２の調整を行うとよい。ＭｇＯ基板１０の厚みＬ１の調整は、ＭｇＯ基板１０Ａの研磨（後述）により適切に行える。また、クリアランスＬ２の調整は、図４に示した実装により適切に行える。
【００９３】
また、図６に示すように、出射光のビームウェスト距離「Ｌｏ」が約４３０μｍ付近では、出射光のビームウェスト直径「２ωｏ」が１１μｍ〜１２μｍ程度にまで、スポット径を大きくできることが分かる。よって、この場合、受光素子Ｓのサイズを大面積（例えば、１５×１５μｍ角）にして、受光素子Ｓのアレイ化によって受光素子Ｓに付加機構（例えば、光子Ｐの個数の識別機能）を追加するとともに、受光素子Ｓの高効率光結合を実現するときに都合がよい。
【００９４】
そして、出射光のビームウェスト距離「Ｌｏ」（約４３０μｍ付近）に、光伝送部品２３の先端（マイクロレンズ７５の先端）と受光素子Ｓとの間の距離（Ｌ１＋Ｌ２）を合わせるには、ＭｇＯ基板１０を研磨せずに、クリアランスＬ２の調整のみを行うとよい。クリアランスＬ２の調整は、図４に示した実装により適切に行える。
【００９５】
以上により、ＭｇＯ基板１０を研磨せずに済むので、ＳＳＰＤ２００の製造プロセスの簡素化およびＭｇＯ基板１０の機械強度の充分な確保が可能になる。
【００９６】
なお、ここでは、ＭｇＯ基板１０の厚みＬ１が両極端の場合（Ｌ１＝５０μｍ、Ｌ１＝４００μｍの場合）を例示したが、これに限らない。本実施形態のＳＳＰＤ２００では、受光素子Ｓの面積に応じた、ＭｇＯ基板１０の厚みとマイクロレンズ７５のレンズ設計との間の好適な組合せにより、ＳＳＰＤ７５の機械強度および製造プロセスの最適化を図ることができる。
【００９７】
次に、ＳＳＰＤ２００のシステム検出効率Ｒの、マイクロレンズ７５の有無による依存性について実験検証した結果の一例を述べる。
【００９８】
図７は、マイクロレンズが融着されたＳＳＰＤ（「レンズ付きＳＳＰＤ」という）およびマイクロレンズが融着されなかったＳＳＰＤ（「レンズなしＳＳＰＤ」という）のそれぞれのシステム検出効率の測定値をプロットした図である。
【００９９】
図７の横軸には、システムの雑音に相当する暗計数（ｃ／ｓ；カウント／秒）が取られ、図８の縦軸には、システム検出効率Ｒ（％）が取られている。
【０１００】
本検証実験では、光ファイバ伝送に最も適した通信波長１５５０ｎｍの通信路用シングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）が用いられ、１５×１５μｍ角の受光素子Ｓが用いられている。また、ＭｇＯ基板１０の裏面を研磨せずに、その厚みＬ１は、４００μｍ程度となっている。また、クリアランスＬ２は、約３０μｍ程度となっている。
【０１０１】
なお、光ファイバのコア径は約９μｍであるが、上述のとおり、１５５０ｎｍの通信路用シングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）の場合、光のクラッド領域への漏れ出しにより、ＭＦＤは、１０．４μｍ程度となる。
【０１０２】
図７に示すように、所望の暗計数（１０２ｃ／ｓ）において、レンズなしＳＳＰＤのプロット（図７の黒丸）のシステム検出効率Ｒが約２．５％であったのに対し、レンズ付きＳＳＰＤのプロット（図７の白丸）のシステム検出効率Ｒが約２０％であった。また、図７から容易に理解できるとおり、全ての暗計数に亘って、レンズ付きＳＳＰＤのシステム検出効率Ｒが、レンズなしＳＳＰＤのそれよりも高くなっている。
【０１０３】
よって、ＳＳＰＤ２００の高効率光結合を図るときのマイクロレンズ７５の有用性を検証できた。
【０１０４】
以上のとおり、本実施形態のＳＳＰＤ２００では、マイクロレンズ７５からの出射光が、窒化ニオブ配線１３が形成された受光素子Ｓにおいて所定のビームウェスト直径「２ωｏ」となるよう、マイクロレンズ７５の先端から受光素子Ｓまでの距離が調整されている。
【０１０５】
また、本実施形態のＳＳＰＤ２００では、上記距離の調整の一例として、ＭｇＯ基板１０Ａの裏面を削っている。
【０１０６】
これにより、ＭｇＯ基板１０Ａの厚み（例えば、４００μｍ）を容易に変更できるので、ＳＳＰＤ２００の用途に合わせて、マイクロレンズ７５の先端から受光素子Ｓまでの距離を適宜、調整できる。
【０１０７】
つまり、本実施形態のＳＳＰＤ２００では、受光素子Ｓのサイズに適合した高効率光結合を実現できる。このため、小面積（例えば、５×５μｍ角）から大面積（例えば、１５×１５μｍ角）に亘る様々なサイズの受光素子Ｓを用いても、ＳＳＰＤ２００を、そのシステム検出効率Ｒが、従来のＳＳＰＤのそれよりも向上するように構成できる。
【０１０８】
なお、本明細書においては、本実施形態のＳＳＰＤ２００の用途として、量子通信分野を述べたが、これはあくまで一例に過ぎない。ＳＳＰＤ２００は、量子通信分野への利用の他、テラヘルツ（ＴＨｚ）エレクトロニクス技術、Ｘ線観測技術、質量分析技術などの様々なエネルギー粒子検出分野に応用できる。
【実施例】
【０１０９】
以下、ＭｇＯ基板１０Ａの裏面の研磨法の一例および本実施形態のＳＳＰＤ２００の実装例について述べる。
（ＭｇＯ基板１０Ａの裏面の研磨法）
図８は、受光素子が搭載されたＭｇＯ基板の研磨システムを示した図である。
【０１１０】
図８に示すように、受講素子Ｓ（図８では図示せず）が搭載されたＭｇＯ基板１０Ａが、台座６１にセットされている。そして、この台座６１上のＭｇＯ基板１０Ａの裏面が、研磨シート６０によって機械的に研磨され、ＭｇＯ基板１０Ａの研磨量がマイクロメータ６２によってリアルタイムにモニターされている。
【０１１１】
なお、ここでの研磨システムの詳細は、以下のとおりである。
【０１１２】
研磨機： ALLIED社製 MULTI PREPTM（商標）システム
研磨シート６０：ALLIED社製 DIAMOND LAPPING FILM(８インチＤＩＳＫ)
研磨シート６０中のダイヤモンド粒径：３μｍ、または、５μｍ
ステージ回転速度：１２０ｒｐｍ
研磨レート：３μｍ/分（５μｍの研磨シート６０の使用時）
：１μｍ/分（３μｍの研磨シート６０の使用時）
以上のＭｇＯ基板１０Ａの裏面の研磨法によれば、ＭｇＯ基板１０Ａの厚みをリアルタイムにモニターしながらＭｇＯ基板１０Ａの裏面を研磨できるので、ＭｇＯ基板１０Ａを所望の厚さに容易に制御できる。
（ＳＳＰＤ２００の実装例）
図９では、光伝送部品２３が光伝送部品保持用ブロック２１に実装された写真が掲載されている。
【０１１３】
また、図１０では、受光素子Ｓが搭載されたＭｇＯ基板１０が、素子保持用ブロック２０に実装された写真が掲載されている。
【０１１４】
図１０に示すように、ＳＳＰＤ２００（図４参照）は、パーケージング方式の実装を用いてコンパクトに構成されている。よって、このＳＳＰＤ２００は、量子暗号通信などの量子通信分野への利用を考慮した場合の多チャンネル化においてコスト対応力に優れる。
【０１１５】
また、図１０に示すように、素子保持用ブロック２０の表面には、ＭｇＯ基板１０の外寸と同寸法の凹部が形成され、凹部の近傍に同軸コネクタ５１が配されている。
【０１１６】
そして、この凹部内にＭｇＯ基板１０が嵌め込まれ、ＭｇＯ基板１０の四隅と素子保持用ブロック２０の表面とを跨ぐように、極低温用接着剤(本例ではエレクトロンワックス)５０が配されている。このエレクトロンワックス５０により、ＭｇＯ基板１０が、素子保持用ブロック２０に適切に固定され、クリアランスＬ２が適量に維持される。また、ＭｇＯ基板１０と素子保持用ブロック２０との間の熱伝導性がエレクトロンワックス５０を用いて適切に向上する。
【産業上の利用可能性】
【０１１７】
本発明によれば、積層構造の受光素子のサイズに適合して高効率光結合を実現できる超伝導単一光子検出器が得られる。
【０１１８】
よって、本発明は、光ファイバ伝送に最も適した通信波長でのシステム検出効率の向上を図れ、例えば、量子暗号通信などの量子通信分野の検出素子にとして利用することができる。
【符号の説明】
【０１１９】
１０、１０Ａ ＭｇＯ基板
１１ 反射層
１２ キャビティ層
１３ ナノワイヤ
１３Ａ 窒化ニオブ層
１４ 反射防止層
１５ 伝送経路
２０ 素子保持用ブロック
２１ 光伝送部品保持用ブロック
２２ パーケージブロック
２３ 光伝送部品
２３Ａ 光ファイバ心線
２３Ｂ フェルール
２４ エポキシ樹脂
２５ クリアランス調整部材
２６ フラット基板
５０ 極低温用接着剤（エレクトロンワックス）
５１ 同軸コネクタ
６０ 研磨シート
６１ 台座
６２ マイクロメータ
７０ クラッド
７１ コア
７２ 光ファイバ
７３ 低ＮＡレンズ
７４ 高ＮＡレンズ
７５ マイクロレンズ
１０１ 積層体
１０２ フォトレジスト
１０３ フォトレジストの窓
１００ 超伝導単一光子検出素子
２００ 超伝導単一光子検出器（ＳＳＰＤ）
Ｌ１ ＭｇＯ基板の厚み
Ｌ２ クリアランス
Ｓ 受光素子
Ｐ 光子
Ｐｃ 光カップリング効率
Ｐａ 光吸収効率
Ｐｄ 素子検出効率
Ｒ システム検出効率
Ｔ 光伝送部品の先端部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化マグネシウムからなる基板と、前記基板の表面に形成された窒化ニオブ配線と、前記窒化ニオブ配線上に形成されたキャビティ層と、前記キャビティ層上に形成された反射層と、前記基板の裏面に形成された反射防止層と、を有する超伝導単一光子検出素子と、
光ファイバと、前記光ファイバの先端に調芯融着されたレンズと、を有する光伝送手段と、
を備え、
前記窒化ニオブ配線は、所定のバイアス電流が流れるよう、伝送線路を介してバイアス源に接続されて、超伝導状態において使用され、
前記窒化ニオブ配線に光子が入射した際の前記窒化ニオブ配線の抵抗変化に基づいて、前記光子が、前記超伝導単一光子検出素子において１個ずつ検出され、
前記レンズからの出射光が、前記窒化ニオブ配線において所定のビームウェスト直径となるよう、前記レンズの先端から前記窒化ニオブ配線までの距離が調整されている、超伝導単一光子検出器。
【請求項２】
前記距離の調整は、前記基板の裏面を削ることにより行われる請求項１に記載の超伝導単一光子検出器。
【請求項３】
請求項１に記載の超伝導単一光子検出素子と請求項１に記載の光伝送手段とを、パーケージブロックに実装する超伝導単一光子検出器の実装方法であって、
前記パーケージブロックに形成された貫通孔にダミー基板を被せることにより、前記ダミー基板上に密着されたクリアランス調整部材を前記貫通孔内に配する工程と、
前記貫通孔内に前記光伝送手段を挿入することにより、前記光伝送手段のレンズの先端を前記クリアランス調整部材に当接させる工程と、
前記ダミー基板を除去して、前記超伝導単一光子検出素子の基板の反射防止層が前記レンズの先端と対置するよう、前記超伝導単一光子検出素子を前記貫通孔に被せる工程と、
を含む超伝導単一光子検出器の実装方法。
【請求項４】
前記レンズの先端が前記クリアランス調整部材に当接した状態で、前記光伝送手段を前記パーケージブロックに樹脂材料を用いて固定する工程を更に含む請求項３に記載の超伝導単一光子検出器の実装方法。
【請求項５】
前記超伝導単一光子検出素子を前記貫通孔に被せた後、前記超伝導単一光子検出素子を前記パーケージブロックに極低温用接着剤を用いて固定する工程を更に含む請求項３または４に記載の超伝導単一光子検出器の実装方法。
【請求項１】
酸化マグネシウムからなる基板と、前記基板の表面に形成された窒化ニオブ配線と、前記窒化ニオブ配線上に形成されたキャビティ層と、前記キャビティ層上に形成された反射層と、前記基板の裏面に形成された反射防止層と、を有する超伝導単一光子検出素子と、
光ファイバと、前記光ファイバの先端に調芯融着されたレンズと、を有する光伝送手段と、
を備え、
前記窒化ニオブ配線は、所定のバイアス電流が流れるよう、伝送線路を介してバイアス源に接続されて、超伝導状態において使用され、
前記窒化ニオブ配線に光子が入射した際の前記窒化ニオブ配線の抵抗変化に基づいて、前記光子が、前記超伝導単一光子検出素子において１個ずつ検出され、
前記レンズからの出射光が、前記窒化ニオブ配線において所定のビームウェスト直径となるよう、前記レンズの先端から前記窒化ニオブ配線までの距離が調整されている、超伝導単一光子検出器。
【請求項２】
前記距離の調整は、前記基板の裏面を削ることにより行われる請求項１に記載の超伝導単一光子検出器。
【請求項３】
請求項１に記載の超伝導単一光子検出素子と請求項１に記載の光伝送手段とを、パーケージブロックに実装する超伝導単一光子検出器の実装方法であって、
前記パーケージブロックに形成された貫通孔にダミー基板を被せることにより、前記ダミー基板上に密着されたクリアランス調整部材を前記貫通孔内に配する工程と、
前記貫通孔内に前記光伝送手段を挿入することにより、前記光伝送手段のレンズの先端を前記クリアランス調整部材に当接させる工程と、
前記ダミー基板を除去して、前記超伝導単一光子検出素子の基板の反射防止層が前記レンズの先端と対置するよう、前記超伝導単一光子検出素子を前記貫通孔に被せる工程と、
を含む超伝導単一光子検出器の実装方法。
【請求項４】
前記レンズの先端が前記クリアランス調整部材に当接した状態で、前記光伝送手段を前記パーケージブロックに樹脂材料を用いて固定する工程を更に含む請求項３に記載の超伝導単一光子検出器の実装方法。
【請求項５】
前記超伝導単一光子検出素子を前記貫通孔に被せた後、前記超伝導単一光子検出素子を前記パーケージブロックに極低温用接着剤を用いて固定する工程を更に含む請求項３または４に記載の超伝導単一光子検出器の実装方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−１７６１５９（Ｐ２０１１−１７６１５９Ａ）
【公開日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−３９６２８（Ｐ２０１０−３９６２８）
【出願日】平成２２年２月２５日（２０１０．２．２５）
【出願人】（３０１０２２４７１）独立行政法人情報通信研究機構 (1,071)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月２５日（２０１０．２．２５）
【出願人】（３０１０２２４７１）独立行政法人情報通信研究機構 (1,071)
【Ｆターム（参考）】
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