シリコンプラットフォーム上の超伝導単一光子検出器

開達郎^{1, 2}　土澤泰^{1, 2}　柴田浩行³　松尾慎治^{1, 2}
¹NTTナノフォトニクスセンタ　²NTT先端集積デバイス研究所　³北見工業大学

　量子光学システムは将来のコンピュータや通信に革新をもたらすことが期待されている。特に、シリコン(Si)フォトニクス技術を用いて作製される量子光学システムは、飛躍的に小型、低コストとなることから注目されている。しかし、従来の単一光子検出器であるSi avalanche photodiodeはSi光回路で用いられる近赤外フォトンを検出することができないため、Si上に単一光子検出器を集積することが課題となる。この課題に対して、Si導波路結合型superconducting-nanowire single-photon detector (SNSPD)が注目されている[1]。SNSPDの特長は近赤外フォトンを低ノイズ、低ジッタで検出することができる点である。先行研究では、Si上SNSPD素子が報告されているが、導波路―ファイバ間の大きな結合損失により、システム検出効率は数%程度と低い[2]。そこで本研究では、Si導波路とファイバ間の結合損失を低減するスポットサイズ変換器を集積した高効率SNSPDを報告する。
　図1(a)にSi上SNSPDの概略図を示す。400 nm幅のSi細線導波路上に窒化ニオブ(NbN)膜細線が形成され、Si導波路を伝搬するフォトンはエバネッセント結合によりNbN細線に吸収される。本素子の特長は、ファイバのモードフィールド径と整合する3-µm径石英系(SiO_x)コアとSi細線導波路間を逆テーパSiにより接続するスポットサイズ変換器である。キーとなるプロセス技術は200℃以下の低温SiO_x膜成膜技術である。これにより、Si上に形成されたNbN膜に熱ダメージを与えることなくスポットサイズ変換器を集積することが可能となる[3]。図1(b)に作製した素子のシステム検出効率とバイアス電流の関係を示す。ファイバ結合効率は1.9 dB/facet、システム検出効率はバイアス電流8.0 µAにおいて約32%であり、従来の10倍以上の効率が得られた。On-chip detection efficiencyは90%以上であり、低温プロセスによるNbN膜の劣化がないことが確認できた。これらの結果は、Si-NbN-SiO_xモノリシック集積技術が将来の量子光学回路集積のキー技術となることを示す。