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JP6440304B2 - Optical design method for superconducting single photon detector - Google Patents
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Description

本発明は超伝導単一光子検出器及び超伝導単一光子検出器の光学設計方法に関する。   The present invention relates to a superconducting single photon detector and an optical design method for the superconducting single photon detector.

光子を1個ずつ検出できる超伝導単一光子検出器(Superconducting Single Photon Detector:以下、必要に応じて、SSPDと略す)は、量子通信、量子光学、ライフサイエンス等の幅広い分野において注目を集めているキーデバイスである。例えば、量子暗号鍵配送試験、量子もつれ実験等でSSPDを用いることにより、半導体アバランシェ・フォトダイオード等の従来の光子検出器では成し得ない極めて高精度な結果が得られるようになってきている。   Superconducting single photon detectors (hereinafter abbreviated as SSPD as needed) that can detect photons one by one are attracting attention in a wide range of fields such as quantum communication, quantum optics, and life sciences. It is a key device. For example, by using SSPD in quantum cryptography key distribution tests, quantum entanglement experiments, etc., it has become possible to obtain extremely accurate results that cannot be achieved with conventional photon detectors such as semiconductor avalanche photodiodes. .

ところで、かかるSSPDの光検出効率の向上を目的とした様々な技術がすでに提案されている。   By the way, various techniques for improving the light detection efficiency of such SSPD have already been proposed.

例えば、特許文献1及び特許文献2には、超伝導状態で使用されるナノワイヤと基板との間に、光キャビティ層を備えるSSPDが提案されている。特許文献1は、フロンドサイド光入射構造(基板の表面側から光照射が行われる構造)のSSPDが記載されている。また、特許文献2は、バックサイド光入射構造(基板の裏面側から光照射が行われる構造)が記載されている。そして、これらは、光キャビティ層を備えない単層構造のSSPDに比べ、ナノワイヤへの光カップリング効率、ナノワイヤの光吸収率が高くなり、これにより、SSPDの光検出効率を向上できる。   For example, Patent Document 1 and Patent Document 2 propose an SSPD including an optical cavity layer between a nanowire used in a superconducting state and a substrate. Patent Document 1 describes an SSPD having a front side light incident structure (a structure in which light irradiation is performed from the surface side of a substrate). Patent Document 2 describes a backside light incident structure (a structure in which light irradiation is performed from the back side of a substrate). These have higher optical coupling efficiency to the nanowire and higher light absorption rate of the nanowire than SSPD having a single-layer structure that does not include the optical cavity layer, thereby improving the light detection efficiency of the SSPD.

特開2009−38190号公報JP 2009-38190 A 特開2010−258208号公報JP 2010-258208 A

しかし、従来例は、任意の波長スペクトル特性を持たせることを意図したSSPDについては検討されていない。   However, in the conventional example, SSPD intended to have an arbitrary wavelength spectrum characteristic has not been studied.

本発明の一態様(aspect)は、このような事情に鑑みてなされたものであり、従来に比べ、様々な波長スペクトル特性を持たせ得るSSPDを提供する。   An aspect of the present invention has been made in view of such circumstances, and provides an SSPD that can have various wavelength spectrum characteristics as compared with the conventional one.

また、本発明の他の態様は、上記SSPDの光学設計を適切に行い得るSSPDの光学設計方法を提供する。   Another aspect of the present invention provides an SSPD optical design method capable of appropriately performing the optical design of the SSPD.

本発明の一態様のSSPDは、基板と、前記基板上に設けられている誘電体多層膜と、前記誘電体多層膜上に設けられ、超伝導状態で使用されているナノワイヤと、を備え、前記誘電体多層膜で特定されている波長帯域の光が前記ナノワイヤに入射した際の前記ナノワイヤの抵抗変化に基づいて、光子が1個ずつ検出されている。   The SSPD of one embodiment of the present invention includes a substrate, a dielectric multilayer film provided on the substrate, and a nanowire provided on the dielectric multilayer film and used in a superconducting state, One photon is detected at a time based on a change in resistance of the nanowire when light in a wavelength band specified by the dielectric multilayer film is incident on the nanowire.

本発明の一態様によれば、従来に比べ、様々な波長スペクトル特性を持たせ得るSSPDが得られる。   According to one embodiment of the present invention, an SSPD that can have various wavelength spectrum characteristics can be obtained as compared with the related art.

図1Aは、実施形態の超伝導単一光子検出器の一例を示す図である。FIG. 1A is a diagram illustrating an example of a superconducting single photon detector according to an embodiment. 図1Bは、実施形態の超伝導単一光子検出器の一例を示す図である。FIG. 1B is a diagram illustrating an example of the superconducting single photon detector according to the embodiment. 図2は、数値シミュレーション用の超伝導単一光子検出器のモデルに相当する二次元のセルユニットの一例を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an example of a two-dimensional cell unit corresponding to a model of a superconducting single photon detector for numerical simulation. 図3Aは、数値シミュレーションにより得られたベタ膜における光吸収スペクトルの一例を示す図である。FIG. 3A is a diagram illustrating an example of a light absorption spectrum in a solid film obtained by numerical simulation. 図3Bは、数値シミュレーションにより得られたナノワイヤにおける光吸収スペクトルの一例を示す図である。FIG. 3B is a diagram illustrating an example of a light absorption spectrum in a nanowire obtained by numerical simulation. 図3Cは、数値シミュレーションにより得られたナノワイヤにおける光吸収スペクトルの一例を示す図である。FIG. 3C is a diagram illustrating an example of a light absorption spectrum in a nanowire obtained by numerical simulation. 図4は、数値シミュレーションにより得られたベタ膜及びナノワイヤにおける光吸収スペクトルの一例を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a light absorption spectrum in a solid film and a nanowire obtained by numerical simulation. 図5は、数値シミュレーションにより得られたベタ膜及びナノワイヤにおける光吸収スペクトルの一例を示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a light absorption spectrum in a solid film and a nanowire obtained by numerical simulation.

従来例は、光キャビティ層の材質及び膜厚を最適化することで、ある特定の波長の光に対してSSPDの光検出効率を向上させることは可能である。しかし、従来例の光キャビティ構造では、SSPDに任意の波長スペクトル特性を付与することができない。具体的には、従来例では、ナノワイヤの光吸収の波長帯域を広げること、或いは、逆に、波長帯域を非常に狭くすること等、様々な要求に合わせたSSPDの光学設計が困難である。従って、従来例では、例えば、波長帯域が広い範囲において光吸収率が高いSSPD、カットオフ波長を設けることでフィルタ効果を備えるSSPD等の実用化に不都合があり、SSPDの応用面に様々な制約がある。   In the conventional example, by optimizing the material and film thickness of the optical cavity layer, it is possible to improve the light detection efficiency of the SSPD for light of a specific wavelength. However, the optical cavity structure of the conventional example cannot give any wavelength spectrum characteristics to SSPD. Specifically, in the conventional example, it is difficult to optically design the SSPD in accordance with various requirements such as widening the wavelength band of light absorption of the nanowire, or conversely, extremely narrowing the wavelength band. Therefore, in the conventional example, for example, SSPD having a high optical absorptance in a wide wavelength band, and SSPD having a filter effect by providing a cutoff wavelength are disadvantageous for practical use, and various restrictions are imposed on the application of SSPD. There is.

そこで、発明者らは、様々な波長スペクトル特性を持たせ得るSSPDの構成について鋭意検討し、上記の光キャビティ層に代えて、基板に誘電体多層膜を設けるという着想に到達した。そして、このとき、基板での光吸収(例えば、シリコン基板での可視光吸収)を考慮すると、バックサイド光入射構造のSSPDよりも、フロンドサイド光入射構造のSSPDの方が有利であると判断した。   Accordingly, the inventors diligently studied the configuration of SSPD that can have various wavelength spectrum characteristics, and arrived at the idea of providing a dielectric multilayer film on the substrate instead of the optical cavity layer. At this time, considering light absorption at the substrate (eg, visible light absorption at the silicon substrate), it is determined that the SSPD having the front side light incident structure is more advantageous than the SSPD having the back side light incident structure. did.

すなわち、本実施形態のSSPDは、基板と、基板上に設けられている誘電体多層膜と、誘電体多層膜上に設けられ、超伝導状態で使用されているナノワイヤと、を備え、誘電体多層膜で特定されている波長帯域の光がナノワイヤに入射した際のナノワイヤの抵抗変化に基づいて、光子が1個ずつ検出されている。   That is, the SSPD of this embodiment includes a substrate, a dielectric multilayer film provided on the substrate, and nanowires provided on the dielectric multilayer film and used in a superconducting state, One photon is detected at a time based on the resistance change of the nanowire when light in the wavelength band specified by the multilayer film enters the nanowire.

かかる構成によると、従来に比べ、様々な波長スペクトル特性を持たせ得るSSPDが得られる。つまり、本実施形態のSSPDは、誘電体多層膜を備えるので、誘電体多層膜の膜構造(例えば、材質、膜厚、レイヤー数等)を変えることで、様々な波長帯域の光がナノワイヤに吸収するように構成できる。   According to such a configuration, an SSPD that can have various wavelength spectrum characteristics as compared with the conventional one can be obtained. In other words, since the SSPD of this embodiment includes a dielectric multilayer film, light in various wavelength bands can be converted into nanowires by changing the film structure (for example, material, film thickness, number of layers, etc.) of the dielectric multilayer film. Can be configured to absorb.

また、本実施形態のSSPDの光学設計方法は、誘電体多層膜上に、ナノワイヤと同一材料かつ同一膜厚の層がベタ状に設けられている仮定した場合において、多層膜計算ソフトを用いて、ベタ状の層における光吸収スペクトルが所望のスペクトルとなるよう、誘電体多層膜の材質、膜厚及びレイヤー数を導出し、多層膜計算ソフトで導かれた材質、膜厚及びレイヤー数の誘電体多層膜上に、ナノワイヤを設ける場合のSSPDのモデルに対して、ナノワイヤの上方から所定の波長の光が入射する場合のデータを付与して数値シミュレーションを行うことで、ナノワイヤにおける光吸収スペクトルを導出する。   In addition, the SSPD optical design method of the present embodiment uses a multilayer calculation software when it is assumed that a layer of the same material and the same film thickness as the nanowire is provided on the dielectric multilayer film. The material, film thickness, and number of layers of the dielectric multilayer film are derived so that the light absorption spectrum in the solid layer becomes the desired spectrum, and the dielectric material, film thickness, and number of layers derived by the multilayer film calculation software are derived. An optical absorption spectrum in a nanowire is obtained by performing a numerical simulation by assigning data when light of a predetermined wavelength is incident from above the nanowire to an SSPD model when a nanowire is provided on a body multilayer film. To derive.

また、光入射で生じるナノワイヤにおける電場強度を数値シミュレーションで導き、電場強度及びナノワイヤの占有率から得られる光吸収率に基づいてナノワイヤにおける光吸収スペクトルを導出する。   In addition, the electric field strength in the nanowire caused by light incidence is derived by numerical simulation, and the light absorption spectrum in the nanowire is derived based on the light absorption rate obtained from the electric field strength and the occupation rate of the nanowire.

以上により、多層膜計算ソフトを用いて、ベタ状の層における光吸収スペクトルが所望のスペクトルとなるよう、誘電体多層膜の材質、膜厚及びレイヤー数を簡易に導出し得る。   As described above, the material, film thickness, and number of layers of the dielectric multilayer film can be easily derived using the multilayer film calculation software so that the light absorption spectrum in the solid layer becomes a desired spectrum.

また、数値シミュレーションにより、多層膜計算ソフトでは扱えなかった、ナノワイヤを備えるSSPDの光学スペクトルの最適設計が可能となる。そして、このとき、ナノワイヤにおける電場強度及びナノワイヤの占有率を考慮することで、光吸収スペクトルを適切に導出できる。   In addition, by the numerical simulation, it is possible to optimally design the optical spectrum of the SSPD having nanowires that could not be handled by the multilayer film calculation software. At this time, the light absorption spectrum can be appropriately derived by considering the electric field strength and the occupancy of the nanowire in the nanowire.

以下、本実施形態の具体例について図面を参照しながら説明する。なお、以下では、全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、重複する説明を省略する。   Hereinafter, specific examples of the present embodiment will be described with reference to the drawings. In the following description, the same or corresponding elements are denoted by the same reference symbols throughout the drawings, and redundant description is omitted.

[装置構成]
図1A及び図1Bは、実施形態の超伝導単一光子検出器の一例を示す図である。図1Aは、超伝導単一光子検出器100(以下、必要に応じて、SSPD100と略す)を平面視した図である。図1Bは、図1AのB−B断面図である。
[Device configuration]
1A and 1B are diagrams illustrating an example of a superconducting single photon detector according to an embodiment. FIG. 1A is a plan view of a superconducting single photon detector 100 (hereinafter, abbreviated as SSPD 100 if necessary). 1B is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 1A.

図1A及び図1Bに示すように、SSPD100は、基板10と、誘電体多層膜(DML)11と、メアンダ状の窒化ニオブ(NbN)からなる配線12(以下、必要に応じてナノワイヤ12と略す)と、を備える。なお、基板10の材料として、例えば、シリコン(Si)を用いることができる。そして、SSPD100は、上記の理由により、フロンドサイド光入射構造を取っている。   As shown in FIGS. 1A and 1B, the SSPD 100 includes a substrate 10, a dielectric multilayer film (DML) 11, and a wiring 12 made of meandering niobium nitride (NbN) (hereinafter, abbreviated as nanowire 12 if necessary). And). For example, silicon (Si) can be used as the material of the substrate 10. The SSPD 100 has a front side light incident structure for the above reasons.

誘電体多層膜11は、基板10上に設けられている。本実施形態では、誘電体多層膜11は、屈折率の高いTiO膜と屈折率の低いSiO膜とを基板10上に交互に積み重ねることで形成されている。これにより、誘電体多層膜11の膜構造(例えば、これらのTiO膜及びSiO膜の膜厚、レイヤー数等)を変えることで、様々な波長帯域の光がナノワイヤ12に吸収するように構成できる。 The dielectric multilayer film 11 is provided on the substrate 10. In the present embodiment, the dielectric multilayer film 11 is formed by alternately stacking a TiO 2 film having a high refractive index and a SiO 2 film having a low refractive index on the substrate 10. As a result, by changing the film structure of the dielectric multilayer film 11 (for example, the thickness of these TiO 2 films and SiO 2 films, the number of layers, etc.), light in various wavelength bands is absorbed by the nanowires 12. Can be configured.

ナノワイヤ12は、誘電体多層膜11上に設けられ、超伝導状態で使用されている。そして、ナノワイヤ12の領域が、SSPD100の光検出部を構成する。例えば、ナノワイヤ12は、適宜の厚み(例えば、10nm程度)の窒化ニオブ層を、電子線などを用いてパターニングすることにより、所定の線幅(例えば、80nm−200nm程度の線幅)のメアンダ状に形成することで製作できる。このとき、SSPD100の光検出部のサイズを、例えば、10μm−20μm角程度に設定してもよい。   The nanowire 12 is provided on the dielectric multilayer film 11 and is used in a superconducting state. And the area | region of the nanowire 12 comprises the photon detection part of SSPD100. For example, the nanowire 12 has a meander shape having a predetermined line width (for example, a line width of about 80 nm to 200 nm) by patterning a niobium nitride layer having an appropriate thickness (for example, about 10 nm) using an electron beam or the like. Can be manufactured by forming. At this time, the size of the light detection unit of the SSPD 100 may be set to about 10 μm to 20 μm square, for example.

ここで、ナノワイヤ12は、超伝導状態で使用できるように適宜の冷却手段(図示せず)により冷却されている。ナノワイヤ12の両端は、ナノワイヤ12に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13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。伝送経路13は、ナノワイヤ12にバイアス電流を流す経路としても機能している。この伝送経路13は、窒化ニオブ層との接触面でSSPD100が破壊されにくくする目的で、窒化ニオブ層と同じ材料(窒化ニオブ)により構成されることが多い。   Here, the nanowire 12 is cooled by an appropriate cooling means (not shown) so that it can be used in a superconducting state. Both ends of the nanowire 12 are connected to output terminals of a bias source (not shown) via the transmission path 13 so that a desired bias current slightly below the critical current flows through the nanowire 12. The transmission path 13 also functions as a path for flowing a bias current through the nanowire 12. The transmission path 13 is often made of the same material (niobium nitride) as the niobium nitride layer for the purpose of making the SSPD 100 difficult to break at the contact surface with the niobium nitride layer.

また、SSPD100では、単一の光子が、ナノワイヤ12の上方からナノワイヤ12に入射した際のナノワイヤ12の抵抗変化に基づいて、光子が1個ずつ検出できる。具体的には、ナノワイヤ12に光子が入射すると、光子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(抵抗領域)が発生する。このとき、ナノワイヤ12を流れる電流は、抵抗領域を迂回するように領域の両側のナノワイヤ12の部分に集中的に流れる。すると、領域の周囲を流れる電流は臨界電流を超え、領域の両側の部分も常伝導状態になり、常伝導状態の領域は、ナノワイヤ12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、常伝導領域の発生および常伝導領域の超伝導状態への回復過程におけるナノワイヤ12の幅方向全域に亘る抵抗変化に基づいて、ナノワイヤ12に入った光子は、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13から外部に取り出される。   Further, in the SSPD 100, a single photon can be detected one by one based on a change in resistance of the nanowire 12 when the single photon is incident on the nanowire 12 from above the nanowire 12. Specifically, when a photon is incident on the nanowire 12, the cap energy is exceeded at the position where the photon is incident, and as a result, a normal conduction region (resistance region) called a hot spot is generated. At this time, the current flowing through the nanowire 12 flows intensively in the portions of the nanowire 12 on both sides of the region so as to bypass the resistance region. Then, the current flowing around the region exceeds the critical current, the portions on both sides of the region are also in the normal conduction state, and the region in the normal conduction state temporarily spreads over the entire width direction of the nanowire 12. In this way, one photon entering the nanowire 12 as a voltage signal is generated based on the resistance change over the entire width direction of the nanowire 12 in the process of generating the normal conduction region and restoring the normal conduction region to the superconducting state. Each voltage signal is appropriately detected, and the voltage signal is taken out from the transmission path 13.

なお、このような光子を1個ずつ検出するSSPDの検出法自体は、公知である(例えば「IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL.11, NO.1, MARCH 2001 P574-577」参照)。   In addition, the detection method itself of SSPD which detects such a photon one by one is well-known (for example, refer to "IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL.11, NO.1, MARCH 2001 P574-577").

以上により、本実施形態では、従来に比べ、様々な波長スペクトル特性を持たせ得るSSPD100が得られる。つまり、本実施形態のSSPD100は、誘電体多層膜11を備えるので、誘電体多層膜11の膜構造(例えば、材質、膜厚、レイヤー数等)を変えることで、様々な波長帯域の光がナノワイヤ12に吸収するように構成できる。よって、かかるSSPD100を用いることで、波長帯域が広い範囲において光吸収率が高いSSPD、カットオフ波長を設けることでフィルタ効果を備えるSSPD等の実用化が可能となる。   As described above, in the present embodiment, the SSPD 100 that can have various wavelength spectrum characteristics as compared with the prior art is obtained. That is, since the SSPD 100 of the present embodiment includes the dielectric multilayer film 11, light in various wavelength bands can be obtained by changing the film structure (for example, material, film thickness, number of layers, etc.) of the dielectric multilayer film 11. The nanowire 12 can be configured to absorb. Therefore, by using such SSPD 100, SSPD having a high light absorption rate in a wide wavelength band, and SSPD having a filter effect by providing a cutoff wavelength can be put into practical use.

なお、上記のSSPD100は例示であって、本例に限定されない。例えば、ナノワイヤ12に用いる超伝導材料は、NbN以外に、NbTiN、Nb、TaN、MgB等を用いても構わない。また、基板10の材料は、Si以外に、MgO、石英(クオーツ)、サファイア等を用いても構わない。また、誘電体多層膜11の高屈折率膜として、TiO膜以外に、Nb膜やTa膜等を用い、低屈折率膜として、SiO膜以外に、Al膜等を用いても構わない。 The above SSPD 100 is an example, and is not limited to this example. For example, the superconducting material used for the nanowire 12 may be NbTiN, Nb, TaN, MgB 2 or the like in addition to NbN. In addition to Si, the material of the substrate 10 may be MgO, quartz (quartz), sapphire, or the like. In addition to the TiO 2 film, an Nb 2 O 5 film, a Ta 2 O 5 film, or the like is used as the high refractive index film of the dielectric multilayer film 11, and an Al 2 O film other than the SiO 2 film is used as the low refractive index film. Three films or the like may be used.

[SSPDの光学設計方法]
以下、本実施形態のSSPD100の光学設計方法について図面を参照しながら説明する。
[SSPD optical design method]
Hereinafter, an optical design method of the SSPD 100 of the present embodiment will be described with reference to the drawings.

まず、誘電体多層膜11上に、ナノワイヤ12と同一材料かつ同一膜厚の窒化ニオブ層がベタ状に設けられていると仮定した場合において、適宜の多層膜計算ソフトを用いて、このベタ状の窒化ニオブ層における光吸収スペクトルが所望のスペクトルとなるよう、誘電体多層膜11の材質、膜厚及びレイヤー数を導出する。ここでは、上記のとおり、誘電体多層膜11の高屈折率膜として、TiO膜を用い、低屈折率膜として、SiO膜を用いてもいるので、窒化ニオブ層における光吸収スペクトルが所望のスペクトルとなるよう、これらのTiO膜及びSiO膜の膜厚及びレイヤー数を導出する。本実施形態では、光の波長が650nm−900nm付近(つまり、光の波長が800nm付近中心)で、窒化ニオブ層における光吸収率がフラットな最大値を取るように、多層膜計算ソフトにより誘電体多層膜11(TiO膜及びSiO膜)の膜厚及びレイヤー数が設定されている。 First, assuming that a niobium nitride layer having the same material and the same film thickness as the nanowire 12 is provided on the dielectric multilayer film 11 in a solid form, this solid form is obtained using appropriate multilayer film calculation software. The material, film thickness, and number of layers of the dielectric multilayer film 11 are derived so that the light absorption spectrum in the niobium nitride layer becomes a desired spectrum. Here, as described above, since the TiO 2 film is used as the high refractive index film of the dielectric multilayer film 11 and the SiO 2 film is used as the low refractive index film, the light absorption spectrum in the niobium nitride layer is desired. The film thickness and the number of layers of these TiO 2 film and SiO 2 film are derived so that In the present embodiment, the dielectric is calculated by the multilayer calculation software so that the light absorption rate in the niobium nitride layer takes a flat maximum value when the light wavelength is around 650 nm-900 nm (that is, the light wavelength is near the center of 800 nm). The film thickness and the number of layers of the multilayer film 11 (TiO 2 film and SiO 2 film) are set.

なお、誘電体多層膜11の透過率及び反射率の計算は、様々な手法がすでに公知であり、多くの市販の多層膜計算ソフトも提供されている。よって、詳細な説明は省略する。   Various methods for calculating the transmittance and reflectance of the dielectric multilayer film 11 are already known, and many commercially available multilayer film calculation software are also provided. Therefore, detailed description is omitted.

次に、上記の多層膜計算ソフトで導かれた材質、膜厚及びレイヤー数の誘電体多層膜11上に、ナノワイヤ12を設ける場合のSSPD100のモデルをコンピュータ上に作成する。具体的には、上記モデルに対応する領域を細かい要素にメッシュ分割することで、コンピュータ上にモデルを再現する。   Next, a model of the SSPD 100 in the case where the nanowire 12 is provided on the dielectric multilayer film 11 having the material, film thickness, and number of layers derived by the multilayer film calculation software is created on a computer. Specifically, the model is reproduced on a computer by dividing an area corresponding to the model into fine elements.

図2は、数値シミュレーション用のSSPD100のモデルに相当する二次元のセルユニットの一例を示す図である。本実施形態では、ナノワイヤ12の厚みTは、10nmに設定され、ナノワイヤ12の幅W及び隙間Sはそれぞれ、100nmに設定されている。よって、セルユニット周期Pは、200nmである。また、二次元のセルユニットCUの境界条件として、セルユニットCUの左右両側のメッシュに周期境界条件が設定され、計算が行われる。これにより、数値シミュレーション用のSSPD100のモデルのメッシュ数を減らすことが可能となり、コンピュータの記憶容量の節約、計算時間の短縮を図れる。   FIG. 2 is a diagram showing an example of a two-dimensional cell unit corresponding to the model of SSPD 100 for numerical simulation. In the present embodiment, the thickness T of the nanowire 12 is set to 10 nm, and the width W and the gap S of the nanowire 12 are each set to 100 nm. Therefore, the cell unit period P is 200 nm. In addition, as boundary conditions for the two-dimensional cell unit CU, periodic boundary conditions are set for the meshes on both the left and right sides of the cell unit CU, and calculation is performed. This makes it possible to reduce the number of meshes of the SSPD 100 model for numerical simulation, thereby saving the storage capacity of the computer and shortening the calculation time.

そして、上記のモデルに対してナノワイヤ12の上方から所定の波長の光が入射する場合のデータを付与して数値シミュレーションを行うことで、ナノワイヤ12における光吸収スペクトルを導出する。具体的には、モデルの各要素に物性条件及び上記データ等を付与して、有限要素法ソフト(例えば、COSMOL Multiphysics 4.4, RF module)を用いて、電磁場の振る舞いを記述する基礎方程式であるマクスウェル方程式を解き、ナノワイヤ12における光吸収率を数値シミュレーションする。   Then, a light absorption spectrum in the nanowire 12 is derived by assigning data when light of a predetermined wavelength is incident from above the nanowire 12 to the above model and performing a numerical simulation. Specifically, Maxwell, which is a basic equation that describes the behavior of the electromagnetic field using finite element method software (for example, COSMOL Multiphysics 4.4, RF module) by assigning physical property conditions and the above data to each element of the model. The equation is solved and the light absorption rate in the nanowire 12 is numerically simulated.

このとき、光入射で生じるナノワイヤ12における電場強度が数値シミュレーションで導かれ、この電場強度及びナノワイヤ12の占有率(フィリングファクターFF)等のパラメータから得られる光吸収率に基づいて、ナノワイヤ12における光吸収スペクトルを導出する。具体的には、この光吸収率Aは、以下の式(1)により定式化でき、近似的にはナノワイヤ12における平均電場強度Eavg及びフィリングファクターFFの積に比例する。 At this time, the electric field strength in the nanowire 12 generated by light incidence is derived by numerical simulation, and the light in the nanowire 12 is based on the light absorptivity obtained from parameters such as the electric field strength and the occupancy (filling factor FF) of the nanowire 12. An absorption spectrum is derived. Specifically, the light absorption rate A can be formulated by the following formula (1), and is approximately proportional to the product of the average electric field strength E avg and the filling factor FF in the nanowire 12.

Figure 0006440304
なお、式(1)のフィリングファクターFFは、ナノワイヤ12の幅W及びセルユニット周期Pの値から1/2(FF=W/P=1/2)となる。
Figure 0006440304
In addition, the filling factor FF of Expression (1) is ½ (FF = W / P = ½) from the value of the width W of the nanowire 12 and the cell unit period P.

よって、式(1)を用いて、ナノワイヤ12における光吸収率Aを計算することで、ある波長の光についてナノワイヤ12における光吸収率を計算でき、光の波長を僅かに変えながら、かかる計算を繰り返し行うと、ナノワイヤ12における光吸収スペクトルを導出できる。   Therefore, by calculating the optical absorptance A in the nanowire 12 using the equation (1), the optical absorptance in the nanowire 12 can be calculated for light of a certain wavelength, and this calculation is performed while slightly changing the wavelength of the light. When it is repeated, the light absorption spectrum in the nanowire 12 can be derived.

図3Aは、数値シミュレーションにより得られたベタ膜における光吸収スペクトルの一例を示す図である。図3B及び図3Cは、数値シミュレーションにより得られたナノワイヤにおける光吸収スペクトルの一例を示す図である。具体的には、図3Aには、ベタ状の窒化ニオブ層における光吸収スペクトルの一例が示されている。図3Aの光吸収スペクトルを計算する理由は、多層膜計算ソフトで計算された光吸収スペクトルを、数値シミュレーションでも再現できるか確認するためである。   FIG. 3A is a diagram illustrating an example of a light absorption spectrum in a solid film obtained by numerical simulation. 3B and 3C are diagrams illustrating an example of a light absorption spectrum in a nanowire obtained by numerical simulation. Specifically, FIG. 3A shows an example of a light absorption spectrum in a solid niobium nitride layer. The reason why the light absorption spectrum of FIG. 3A is calculated is to check whether the light absorption spectrum calculated by the multilayer film calculation software can be reproduced by numerical simulation.

一方、図3Bには、ナノワイヤ12におけるTE偏光の吸収スペクトルの一例が示されている。図3Cには、ナノワイヤ12におけるTM偏光の吸収スペクトルの一例が示されている。なお、TE偏光とは、電場がナノワイヤ12の延在方向と平行に振動する光のことをいい、TM偏光とは、電場がナノワイヤ12の延在方向と垂直に振動する光のことをいう。   On the other hand, FIG. 3B shows an example of an absorption spectrum of TE polarized light in the nanowire 12. FIG. 3C shows an example of an absorption spectrum of TM polarized light in the nanowire 12. Note that TE polarized light refers to light whose electric field vibrates in parallel with the extending direction of the nanowire 12, and TM polarized light refers to light whose electric field vibrates perpendicularly to the extending direction of the nanowire 12.

図3A、図3B及び図3Cによれば、窒化ニオブ層における光吸収スペクトルは、ナノワイヤ12におけるTE偏光の吸収スペクトルにも、TM偏光の吸収スペクトルにも一致しないことが分かる。そして、このような事実が、ナノワイヤ12の部分に相当するグリッド構造を備えるSSPD100の光学設計を、従来の多層膜計算ソフトでは扱えないことを示している。   3A, 3B, and 3C, it can be seen that the light absorption spectrum in the niobium nitride layer does not match the absorption spectrum of the TE-polarized light and the absorption spectrum of the TM-polarized light in the nanowire 12. This fact indicates that the conventional multilayer calculation software cannot handle the optical design of the SSPD 100 having a grid structure corresponding to the nanowire 12 portion.

つまり、SSPD100における光吸収体であるナノワイヤ12は、ベタ膜ではなく、図2に示す如く、グリッド構造(凹凸構造)として捉える必要があり、多層膜計算ソフトでは正しい光学設計を行うことができない。   That is, the nanowire 12 that is a light absorber in the SSPD 100 needs to be regarded as a grid structure (uneven structure) as shown in FIG. 2 instead of a solid film, and correct optical design cannot be performed by the multilayer film calculation software.

これに対して、本実施形態のSSPD100の光学設計では、ナノワイヤ12の部分に相当するグリッド構造に関して、有限要素法等の数値シミュレーションを組合せることで、SSPD100の光学スペクトルの最適設計が可能となる。   On the other hand, in the optical design of the SSPD 100 of the present embodiment, the optical spectrum of the SSPD 100 can be optimally designed by combining numerical simulation such as the finite element method with respect to the grid structure corresponding to the nanowire 12 portion. .

以上のとおり、本実施形態のSSPD100の光学設計方法では、多層膜計算ソフトを用いて、窒化ニオブ層における光吸収スペクトルが所望のスペクトルとなるよう、誘電体多層膜11の材質、膜厚及びレイヤー数を簡易に導出し得る。   As described above, in the optical design method of the SSPD 100 according to the present embodiment, the material, film thickness, and layer of the dielectric multilayer film 11 are set using the multilayer film calculation software so that the light absorption spectrum in the niobium nitride layer becomes a desired spectrum. Numbers can be derived easily.

また、数値シミュレーションにより、多層膜計算ソフトでは扱えなかった、ナノワイヤ12を備えるSSPD100の光学スペクトルの最適設計が可能となる。そして、このとき、ナノワイヤ12における電場強度及びフィリングファクターFFを考慮することで、ナノワイヤ12における光吸収スペクトルを適切に導出できる。   In addition, the numerical simulation enables optimal design of the optical spectrum of the SSPD 100 including the nanowire 12 that could not be handled by the multilayer film calculation software. At this time, the light absorption spectrum in the nanowire 12 can be appropriately derived by considering the electric field strength and the filling factor FF in the nanowire 12.

なお、上記のSSPD100の光学設計方法は例示であって、本例に限定されない。例えば、上記の有限要素法による数値シミュレーション以外のSSPD100の光学設計方法として、厳密結合波解析(Rigorous coupled-wave analysis:RCWA)等を用いても構わない。   Note that the optical design method of the SSPD 100 described above is an example, and is not limited to this example. For example, rigorous coupled-wave analysis (RCWA) or the like may be used as an optical design method for the SSPD 100 other than the numerical simulation based on the finite element method.

また、上記のSSPD100の光学設計では、光の波長が650nm−900nm付近で、窒化ニオブ層における光吸収率がフラットな最大値を取るように、誘電体多層膜11(TiO膜及びSiO膜)の膜厚及びレイヤー数を設定しているが、これに限らない。 In the optical design of the above SSPD 100, the dielectric multilayer film 11 (TiO 2 film and SiO 2 film is formed so that the light absorption rate in the niobium nitride layer takes a flat maximum value when the wavelength of light is around 650 nm to 900 nm. However, the present invention is not limited to this.

例えば、光の波長が所定範囲(例えば、440nm−560nm;光の波長が500nm付近中心)で、窒化ニオブ層における光吸収率がフラットな最大値を取るように、誘電体多層膜11の材質、膜厚及びレイヤー数を設定しても構わない。すると、図4に例示する如く、広帯域波長のバンドパスフィルタ効果を備えるSSPDの実用化が可能となる。   For example, the material of the dielectric multilayer film 11 so that the light absorption rate in the niobium nitride layer takes a flat maximum value within a predetermined range (for example, 440 nm to 560 nm; the center of the light wavelength is about 500 nm), The film thickness and the number of layers may be set. Then, as illustrated in FIG. 4, it becomes possible to put SSPD having a bandpass filter effect with a wide band wavelength into practical use.

また、光の波長が所定値(例えば、1550nm)付近で、窒化ニオブ層における光吸収率が最大値を取り、光の波長が所定値(例えば、1600nm)以上で、窒化ニオブ層における光吸収がカットオフするように、誘電体多層膜11の材質、膜厚及びレイヤー数を設定しても構わない。すると、図5に例示する如く、カットオフ波長を設けることでフィルタ効果を備えるSSPDの実用化が可能となる。   In addition, when the wavelength of light is around a predetermined value (for example, 1550 nm), the light absorptance in the niobium nitride layer has a maximum value, and when the wavelength of light is at a predetermined value (for example, 1600 nm) or more, the light absorption in the niobium nitride layer is The material, film thickness, and number of layers of the dielectric multilayer film 11 may be set so as to cut off. Then, as illustrated in FIG. 5, it is possible to put SSPD having a filter effect into practical use by providing a cutoff wavelength.

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更できる。   From the foregoing description, many modifications and other embodiments of the present invention are obvious to one skilled in the art. Accordingly, the foregoing description should be construed as illustrative only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best mode of carrying out the invention. The details of the structure and / or function may be substantially changed without departing from the spirit of the invention.

本発明の一態様は、従来に比べ、様々な波長スペクトル特性を持たせ得るSSPDを提供する。よって、本発明の一態様は、例えば、量子通信、量子光学、ライフサイエンス等の幅広い分野において注目を集めているSSPDに利用できる。   One embodiment of the present invention provides an SSPD that can have various wavelength spectrum characteristics as compared with the related art. Thus, one embodiment of the present invention can be used for SSPDs that are attracting attention in a wide range of fields such as quantum communication, quantum optics, and life science.

10 基板
11 誘電体多層膜
12 ナノワイヤ(窒化ニオブ配線)
13 伝送経路
100 超伝導単一光子検出器(SSPD)
10 Substrate 11 Dielectric Multilayer 12 Nanowire (Niobium Nitride Wiring)
13 Transmission path 100 Superconducting single photon detector (SSPD)

Claims (2)

基板と、
前記基板上に設けられている誘電体多層膜と、
前記誘電体多層膜上に設けられ、超伝導状態で使用されているナノワイヤと、
を備え、
前記誘電体多層膜で特定されている波長帯域の光が前記ナノワイヤに入射した際の前記ナノワイヤの抵抗変化に基づいて、光子が1個ずつ検出されている超伝導単一光子検出器の光学設計方法であって、
前記誘電体多層膜上に、前記ナノワイヤと同一材料かつ同一膜厚の層がベタ状に設けられていると仮定した場合において、多層膜計算ソフトを用いて、前記ベタ状の層における光吸収スペクトルが所望のスペクトルとなるよう、誘電体多層膜の材質、膜厚及びレイヤー数を導出し、
前記多層膜計算ソフトで導かれた材質、膜厚及びレイヤー数の誘電体多層膜上に、前記ナノワイヤを設ける場合の超伝導単一光子検出器のモデルに対して、ナノワイヤの上方から所定の波長の光が入射する場合のデータを付与して数値シミュレーションを行うことで、前記ナノワイヤにおける光吸収スペクトルを導出する光学設計手法。
A substrate,
A dielectric multilayer film provided on the substrate;
A nanowire provided on the dielectric multilayer and used in a superconducting state;
With
Optical design of a superconducting single photon detector in which photons are detected one by one based on a resistance change of the nanowire when light in a wavelength band specified by the dielectric multilayer film is incident on the nanowire A method,
When it is assumed that a layer of the same material and the same film thickness as the nanowire is provided in a solid shape on the dielectric multilayer film, a light absorption spectrum in the solid layer is calculated using a multilayer film calculation software. Deriving the material, film thickness and number of layers of the dielectric multilayer so that the desired spectrum is obtained,
The superconducting single-photon detector model when the nanowire is provided on the dielectric multilayer film of the material, film thickness and number of layers derived by the multilayer film calculation software has a predetermined wavelength from above the nanowire. An optical design method for deriving a light absorption spectrum in the nanowire by performing numerical simulation with data when light of the incident light enters.
光入射で生じる前記ナノワイヤにおける電場強度を前記数値シミュレーションで導き、前記電場強度及び前記ナノワイヤの占有率から得られる光吸収率に基づいて前記ナノワイヤにおける光吸収スペクトルを導出する請求項に記載の光学設計方法。 Directing an electric field intensity in the nanowire produced by light incident at the numerical simulations, the electric field intensity and the optical of claim 1 to derive the light absorption spectrum in the nanowire based on light absorption resulting from the occupation ratio of the nanowire Design method.
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