Erfolgreiche Entwicklung des weltweit ersten supraleitenden Breitstreifen-Photonendetektors

Forscher des National Institute of Information and Communications Technology haben eine neuartige Struktur in einem supraleitenden Streifen-Photonendetektor erfunden, die eine hocheffiziente Photonendetektion selbst bei einem breiten Streifen ermöglicht, und es ist ihnen gelungen, den weltweit ersten supraleitenden Breitstreifen-Photonendetektor (SWSPD) zu entwickeln.

Die Streifenbreite des Detektors ist über 200-mal breiter als die der herkömmlichen supraleitenden NanoStrip-Photonendetektoren (SNSPDs). Diese Technologie kann dazu beitragen, die Probleme der geringen Produktivität und Polarisationsabhängigkeit zu lösen, die bei herkömmlichen SNSPDs bestehen. Es wird erwartet, dass das neue SWSPD in verschiedenen fortschrittlichen Technologien wie der Quanteninformationskommunikation und Quantencomputern Anwendung findet und eine frühzeitige gesellschaftliche Umsetzung dieser fortschrittlichen Technologien ermöglicht.

Die Arbeit ist veröffentlicht im Tagebuch Optica Quantum.

Die Photonendetektionstechnologie ist eine strategische Kerntechnologie, um Innovationen in einem breiten Spektrum fortschrittlicher Technologiebereiche herbeizuführen, darunter Quanteninformationskommunikation und Quantencomputer, die derzeit auf globaler Ebene intensiv erforscht und entwickelt werden, sowie die Fluoreszenzbeobachtung lebender Zellen. Optische Kommunikation im Weltraum, Lasersensorik und mehr.

Das NICT-Forschungsteam hat ein SNSPD mit einer Streifenbreite von 100 nm oder weniger entwickelt. Sie haben erfolgreich eine hohe Leistung erreicht, die andere Photonendetektoren übertrifft, und ihre Nützlichkeit durch die Anwendung auf die Quanteninformationskommunikationstechnologie demonstriert. Die Herstellung von SNSPDs erfordert jedoch die Bildung von Nanostreifenstrukturen mithilfe fortschrittlicher Nanofabrikationstechnologie, was zu Schwankungen in der Detektorleistung führt und eine Produktivitätsverbesserung behindert. Darüber hinaus hat das Vorhandensein einer Polarisationsabhängigkeit aufgrund der supraleitenden mäanderförmigen Nanostreifenstruktur auch den Anwendungsbereich als Photonendetektor eingeschränkt.

In dieser Arbeit erfand NICT eine neuartige Struktur namens „High Critical Current Bank (HCCB)-Struktur“, die eine hocheffiziente Photonendetektion ermöglicht, selbst wenn die Streifenbreite im supraleitenden Streifenphotonendetektor verbreitert wird, und es gelang ihm, ein SWSPD mit einer Breite von zu entwickeln 20 Mikrometer – mehr als 200-mal breiter als der herkömmliche Nanostreifen-Photonendetektor – und erreichte zum ersten Mal auf der Welt einen Hochleistungsbetrieb.

Der von NICT entwickelte Nanostreifentyp erforderte die Bildung extrem langer supraleitender Nanostreifen mit einer Streifenbreite von 100 nm oder weniger in Mäanderform. Der breite Streifentyp kann jetzt mit nur einem einzigen kurzen, geraden supraleitenden Streifen gebildet werden.

Dieses SWSPD erfordert keine Nanofabrikationstechnologie und kann mit hochproduktiver Allzweck-Fotolithographietechnologie hergestellt werden. Da die Streifenbreite breiter ist als der von der optischen Faser abgestrahlte einfallende Lichtpunkt, ist es außerdem möglich, die Polarisationsabhängigkeit zu eliminieren, die beim Nanostreifendetektor auftritt.

Als Ergebnis der Leistungsbewertung dieses Detektors betrug die Detektionseffizienz im Telekommunikationswellenlängenband (λ=1.550 nm) 78 %, was mit den 81 % des Nanostreifentyps vergleichbar ist. Darüber hinaus zeigte der Timing-Jitter bessere numerische Werte als der Nanostreifen-Typ.

Diese Errungenschaft ermöglicht die Herstellung von Photonendetektoren mit höherer Produktivität und überlegener Leistung und Eigenschaften im Vergleich zum Nanostreifentyp, der sich als unverzichtbare Photonendetektionstechnologie in fortschrittlichen Technologiebereichen wie der Quanteninformationskommunikation etabliert hat. Es wird erwartet, dass diese Technologie auf verschiedene Quanteninformationskommunikationstechnologien angewendet wird und eine wichtige Basistechnologie für die Realisierung vernetzter Quantencomputer darstellt, die im JST Moonshot Goal 6 gefördert werden.

Zukünftig wird das Team die HCCB-Struktur im SWSPD weiter erforschen, um Photonen mit hoher Effizienz nicht nur im Telekommunikationswellenlängenband, sondern auch in einem breiten Wellenlängenband vom sichtbaren bis zum mittleren Infrarot zu erfassen. Darüber hinaus werden sie versuchen, die Größe des Photonenempfangsbereichs weiter zu vergrößern, um Anwendungen wie optische Kommunikationstechnologie im Weltraum, Lasersensorik, Beobachtung lebender Zellen und mehr zu erweitern.