NICT、検出効率80%以上の超伝導ナノワイヤ単一光子検出器を開発

情報通信研究機構(NICT)は11月5日、通信波長帯でシステム検出効率80%以上の高い光感度を有する超伝導ナノワイヤ単一光子検出器(SSPD)を開発したと発表した。

詳細の一部は、米国科学誌「Optics Express」に掲載された。

現在、高性能な光子検出器に対するニーズが高まっている。量子暗号通信や量子光学、微弱光通信、レーザ測距技術、蛍光測定など、さまざまな分野で光子を高効率で捕捉し、高計数率、低ノイズ、低ジッタ(時間揺らぎが小さい)で検出することが求められている。これまでは、半導体光子検出器であるAPDが広く用いられてきたが、アフターパルスと呼ばれる現象がシステム性能の向上を阻む要因となっていた。一方、SSPDは、アフターパルスがなく、低ノイズ、低ジッタという特徴を有するため、量子暗号通信などに利用され始めており、さらなる検出効率や計数率の向上が求められていた。これまで、NICTが開発したSSPDは、通信波長帯(1550nm)において20～30%のシステム検出効率だった。

今回、開発したSSPDは従来の約3倍となる検出効率80%を達成した。新たに、ダブルサイドキャビティ構造を採用し、光を超伝導ナノワイヤ近傍に閉じこめることで実現した。

基板材料を変更したことで超伝導ナノワイヤの特性均一性が改善したことも、今回の検出効率の向上に大きく寄与しているという。このSSPDは、光子の高い検出効率に加え、40カウント/秒の低暗計数率という低ノイズ、68ピコ秒という低ジッタも実現している。

さらに、ダブルサイドキャビティ構造では、超伝導ナノワイヤが素子全体に占める面積比率(フィリングファクタ)を従来の半分以下にしても、光吸収効率に大きな低下がないことが新たに見いだされた。フィリングファクタを低下させることで、より高速な光検出応答が可能となり、高検出効率と従来の2.8倍に相当する70MHz(光子検出7000万個/秒)の最大計数率を実現できたとしている。

今回開発したSSPDは、InGaAs APDに対し、性能指数で1440倍(=91/0.063)もの優位性を示している。また、高価かつ取り扱いが難しい液体ヘリウムを必要としない、小型機械式冷凍機で冷却できるため、長時間の連続運転も可能となっている。

今回、通信波長帯(1550nm)で80%以上の検出効率を達成したが、光子のエネルギーが大きい短波長領域ほど高い検出効率を達成する上で有利となる。キャビティ構造の最適化により、1μm以下の波長領域においても、現在広く使われているAPDなどの光子検出器の性能を大きく凌駕できると考えられる。また、これまでは量子暗号通信での利用が中心だったが、今後は、こうした新たな波長領域、様々な分野において、SSPDが幅広く利用されることが期待できるとコメントしている。