SSPDの波長特性を自在に設計、NICTが開発：新設計手法で高精度に光子検出

　NICTは今回、誘電体多層膜による光学構造を新たに採用することで、これまでの課題を解決した。具体的には、2種類の誘電体（二酸化シリコンおよび二酸化チタン）からなる多層膜をシリコン基板上に積層。その上部に超伝導体である窒化ニオブのナノワイヤーを配置する構造とした。誘電体多層膜の材料や層数、各層の膜厚を最適に制御すれば、ナノワイヤーの光吸収効率について、所望の波長特性を実現することができるという。

SSPD構造と波長特性 （クリックで拡大） 出典：NICT

　NICTは、新たに開発した構造と開発手法を用いてSSPDを作製し、検出効率の波長特性を評価した。この結果、波長650〜900nmの範囲で高い光吸収効率を持つように設計した素子の波長特性は、設計値と実測値がほぼ一致していることが分かった。また、通信波長帯における光吸収効率の最適化と同時に、波長1600nm以上の長波長領域における光吸収効率が10％以下になるよう設計したところ、高い検出効率と低ノイズを両立できることが分かった。

　なお、新たな設計手法の開発に向けてNICTは、光学多層膜計算と有限要素解析の2段階で数値計算を行い、超伝導ナノワイヤーへの光吸収効率とその波長特性に関する最適化を行った。

今回用いた2段階の波長特性設計手法 出典：NICT

　設計工程の第1段階は、一般的な多層膜の光学特性最適化ソフトウェアなどを用いた。超伝導薄膜の光吸収効率について所望する波長特性を設定し、誘電体多層膜の層数と膜厚を最適化した。この手法は、比較的短い計算時間で最適化ができるものの、SSPDの検出部が超伝導薄膜ではなくナノワイヤー構造であるため、このままだとSSPDが所望する波長特性が保証されるわけではないという。

　このため、第2段階では、第1段階で用いた誘電体多層膜の設計値を用い、ナノワイヤー構造を計算できる有限要素解析法を用いて実行した。これにより、実際のSSPD構造における超伝導ナノワイヤーの光吸収効率を計算することが可能となり、所望した波長特性が得られることを確認した。

　NICTによれば、開発した誘電体多層膜付きSSPDと波長特性設計手法は、紫外から中赤外の幅広い波長領域で適用できるという。このため、量子暗号通信や生命科学分野における蛍光分光測定、微弱光によるリモートセンシングなどに向けた重要な基盤技術になるとみている。