[論文レビュー] Crosstalk-free operation of multi-element SSPD array integrated with SFQ circuit in a 0.1 Watt GM cryocooler

Taro Yamashita, Shigehito Miki+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2012

Semiconductor Quantum Structures and Devices参考文献 7被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、0.1 Wのギフォード＝マクマローン冷温器に統合された単一フラックス量子（SFQ）読み出し回路を備えた4素子の超伝導ナノワイヤー単一光子検出器（SSPD）アレイが、クロストークのない動作を実現することを示している。各素子の出力に固有の時間遅延を割り当てる時間分解読み出し技術を用いることで、50 psのタイミングジッターと11.4%のシステム検出効率を達成し、測定可能なクロストークは認められず、低消費電力の冷却環境下での実用的で多素子SSPDの運用を可能にした。

ABSTRACT

We demonstrate the successful operation of a multi-element superconducting nanowire single-photon detector (SSPD) array integrated with a single-flux-quantum (SFQ) readout circuit in a compact 0.1 W Gifford-McMahon cryocooler. A time-resolved readout technique, where output signals from each element enter the SFQ readout circuit with finite time intervals, revealed crosstalk-free operation of the four-element SSPD array connected with the SFQ readout circuit. The timing jitter and the system detection efficiency were measured to be 50 ps and 11.4%, respectively, which were comparable to the performance of practical single-pixel SSPD systems.

研究の動機と目的

• 量子技術分野における低消費電力冷温器内での多素子SSPDアレイの実用的でコンactな運用を可能にすること。
• SFQベースの多素子SSPD読み出しシステムにおいて、信号が重畳されることで個々の素子の応答が不明瞭になるクロストーク検出の課題を解決すること。
• SFQ回路による時間分解信号多重化が、素子固有のタイミングと検出効率を保持できることを実証すること。
• 実際の動作条件下で、SFQ多重化されたSSPDアレイにおけるクロストークが無視できる程度に小さいことを検証すること。

提案手法

• 15×15 µm²の総面積を有する4素子のNbNメander型SSPDアレイを、4.5 nmの膜厚と100 nm/200 nmのナノワイヤ幅/周期を用いて作製した。
• 各SSPD素子は、ファイバー結合パッケージ上に設けられた専用のRFコネクタを介して、共面波導で接続されており、1550 nmのファイバーと勾配屈折率レンズを用いて光入力を集光している。
• 4つの入力チャネルをクロックパulsesを必要とせずに1つの出力に多重化するため、MC-DC/SFQコンバータとコンフルエンスバッファ（CB）ゲートを用いてSFQ読み出し回路を実装した。
• 各入力に対して異なる同軸ケーブル長を導入することで、SFQ回路出力における信号到着時刻を明確に異なる時間に設定し、時間分解読み出しを実現した。
• 時間相関単一光子計数（TCSPC）を用いて光子検出を測定し、1 psの時間分解能を達成することで、タイミングに基づいた個々の素子信号の区別が可能になった。
• パルスおよび連続波レーザ光源を用いた制御された光子フラックスを用いて、システム検出効率とタイミングジッターを定量評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンパクトな0.1 WのGM冷温器に統合されたSFQ読み出し回路を備えた多素子SSPDアレイを、クロストークなしで動作可能か？
• RQ2 時間分解読み出しを用いることで、SFQ多重化されたSSPDアレイにおける個々の素子信号を区別可能か？
• RQ3 このようなシステムのタイミングジッターとシステム検出効率はどの程度か？ また、単一ピクセルSSPDシステムと比較してどうなるか？
• RQ4 入射光スポットの空間的ずれが、アレイ全体の検出効率にどのように影響するか？
• RQ5 時間分解SFQ読み出し技術は、多素子SSPDアレイにおいて空間分解能を保持できるか？

主な発見

• システムのタイミングジッターは50 psに達し、最先端の単一ピクセルSSPDシステムと同等の性能を示した。
• 4つのSSPD素子間で測定可能なクロストークは観測されず、同時にバイアスをかけた場合でも同様であった。
• システム検出効率は11.4%であった。個々の素子効率は、光スポットのずれのため0.1%から7.9%の範囲に変動した。
• 個々のバイアスと同時にバイアスをかけた場合の時間相関ヒストограмのピーク位置差は2 ps未満であり、信号の整合性が保たれていることを確認した。
• ピーク振幅の各素子間の変動が空間分解能を裏付け、光スポットが素子Cの中心に位置した際、最高の効率（7.9%）が観測された。
• 光スポットを素子Bに再調整することで、その検出効率が最大値に上昇した。これにより、システムが光子吸収位置を解像可能であることが確認された。