[論文レビュー] Efficient and robust fiber coupling of superconducting single photon detectors

S. N. Dorenbos, Reinier Heeres+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2011

Atomic and Subatomic Physics Research被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、リソグラフィーで定義された円形チップを用いて、ファイバーのファッジルに自己整列する高効率で耐障害性の高い超伝導ナノワイヤー単一光子検出器（SSPD）のファイバー結合技術を提示する。この手法により、低温下でのイン・スイット・アライメントや熱的ずれの問題を解消し、1200 nmで34%のシステム検出効率を達成した。これは、減衰帯域幅が広い光源および相関光子ペア測定の両方で確認された。

ABSTRACT

We applied a recently developed fiber coupling technique to superconducting single photon detectors (SSPDs). As the detector area of SSPDs has to be kept as small as possible, coupling to an optical fiber has been either inefficient or unreliable. Etching through the silicon substrate allows fabrication of a circularly shaped chip which self aligns to the core of a ferrule terminated fiber in a fiber sleeve. In situ alignment at cryogenic temperatures is unnecessary and no thermal stress during cooldown, causing misalignment, is induced. We measured the quantum efficiency of these devices with an attenuated tunable broadband source. The combination of a lithographically defined chip and high precision standard telecommunication components yields near unity coupling efficiency and a system detection efficiency of 34% at a wavelength of 1200 nm. This quantum efficiency measurement is confirmed by an absolute efficiency measurement using correlated photon pairs (with $λ$ = 1064 nm) produced by spontaneous parametric down-conversion. The efficiency obtained via this method agrees well with the efficiency measured with the attenuated tunable broadband source.

研究の動機と目的

• 低温で動作する小面積の超伝導単一光子検出器（SSPD）への効率的かつ信頼性の高いファイバー結合の課題に対処すること。
• 低温下でのイン・スイット・アライメントを不要にするために、被動的で自己整列型のファイバー結合を実現すること。
• 冷却時の熱収縮にかかわらず高い結合効率と安定した性能を達成すること。
• 2つの独立した測定法（減衰帯域幅が広い光源および相関光子ペア）を用いて結合効率を検証すること。
• SSPDをファイバー駆動の量子光学および通信システムに実用的に統合可能にするための基盤を提供すること。

提案手法

• スパッタリング法で作製した酸化シリコン上にスパッタリングしたNbTiN膜を用い、電子ビームリソグラフィーと反応性イオンエッチングを用いて円形SSPDチップを製造した。
• ボッシュプロセスを用いた深めの反応性イオンエッチングにより、300 µmの厚さで垂直にエッチングされたシリコンチップを形成し、正確に2.5 mmの直径を有するように定義した。
• 標準的なFCファイバー・ファッジルのスリーブ内にチップを自己整列可能に設計し、アクティブな調整なしに1 µm未満のアライメント精度を実現した。
• 高解像度のパターニングと耐障害性の高い深めのエッチングを可能にするために、三層構造のレジストマスク（フォトレジスト、金属、電子ビームレジスト）を用いた。
• 電気的接続を可能にするために、ボンディング可能な接触端子をファッジルの外側に延長してチップをファイバー・スリーブに統合した。
• 2つの方法を用いて結合効率を検証した：減衰可能な可変帯域幅光源と、相関光子ペアを用いたスパontaneous parametric down-conversionによる絶対効率測定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己整列型ファイバー結合法は、低温下でのイン・スイット・アライメントを要せず、超伝導ナノワイヤー単一光子検出器におけるユニティに近い結合効率を達成できるか？
• RQ2 通信波長帯域、特に1200 nmにおけるファイバー結合型SSPDのシステム検出効率はどの程度か？
• RQ3 ファイバー先端と検出器表面の間に形成される光学キャビティが、吸収効率および全体のシステム検出効率にどのように影響を与えるか？
• RQ4 減衰帯域幅光源による測定で得られた結合効率と、相関光子ペアを用いた絶対効率測定との一致度はどの程度か？
• RQ5 熱酸化シリコンの厚さを調整することで、任意の所望波長で検出効率を最大にするように光学設計をチューニング可能か？

主な発見

• ファイバー結合技術により、低温下でのイン・スイット・アライメントを要せず、結合効率がユニティに近い値に達した。
• 2.5 Kで減衰可能な可変帯域幅光源を用いた測定により、1200 nmで34%のシステム検出効率を達成した。
• 相関光子ペアを用いた絶対効率測定ではSSPDの効率が11.9%であったが、これは帯域幅光源法から導出された33.6%の効率と整合的であった。
• 光学キャビティ効果はファブリ・ペロー近似を用いてモデル化され、フィッティングされたファイバーから検出器までの距離は1.23 µmであり、物理的接触と整合的であった。
• 2.5 Kでダークカウントレートは500 cpsにまで低下し、臨界電流付近で内在的ダークカウントが支配的であった。
• 1200 nmでの測定ピーク検出効率は、SiO2/Siキャビティ内での構成干渉に起因し、d = 220 nmのときλ ≈ 1300 nmで最大吸収が発生することが分かった。