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上海微系统所成功研制微纳光纤耦合超导纳米线单光子探测器
仪表研发
佚名
【期刊名称】《功能材料信息》
【年(卷),期】2017(000)006
【摘要】超导纳米线单光子探测器(SNSPD:Superconducting nanowire single-photon detector)作为一种高性能的单光子探测器,已广泛应用于量子信息、激光雷达、深空通信等领域,有力推动了相关领域的科技发展。
SNSPD器件主要有两种光耦合方式,一种是垂直光耦合方式,光纤端面平行于SNSPD光敏面,光子垂直入射到纳米线上,采用光学腔体或反射镜
【总页数】1页(P64-64)
【正文语种】中文
【中图分类】TN15
【相关文献】
1.基于微纳机械加工的THz单光子探测器及其应用 [J], 翁钱春;郭方敏;范梁;丁琳
2.基于9根相互交错纳米线结构的高速超导纳米线单光子探测器取得重要进展 [J],
3.从高质量半导体/超导体纳米线到马约拉纳零能模 [J], 文炼均;潘东;赵建华
4.济南微纳颗粒仪器股份有限公司成功研制世界第一台大颗粒计数器 [J],
5.上海徼系统所等研制出微纳光纤耦合超导纳米线单光子探测器 [J],
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单光子发射与探测技术的发展及应用随着物理学和量子力学的飞速发展，单光子发射与探测技术也日益成熟，并广泛应用于通信、量子计算、医学等领域。
本文将介绍单光子发射与探测技术的发展历程、原理和应用。
一、单光子发射技术单光子发射技术是指在一个稳定的光源中产生一个单一的光子。
早期的单光子发射技术主要是通过一些狭缝和中心缝，将光子束缩小到微小的尺寸，然后通过减小光的强度来减少光子的数量，实现单光子发射。
这种方法虽然可行，但操作要非常精确，也比较复杂，容易受到来自光源的环境干扰。
随着技术的不断发展，出现了很多新的单光子发射技术，如基于超冷原子的单光子发射、基于单个量子点的单光子发射等。
超冷原子是最早的单光子发射来源之一。
物理学家通过不断减小温度，将气体冷却到几个微开尔文以下，使其在极低温下形成玻色-爱因斯坦凝聚体。
此时，原子会产生强烈的减速效应，使其停留在光诱导的陷阱中，随后进行激光冷却，最终产生单光子。
量子点是一种半导体结构，可以产生单光子。
通过将量子点添加到纳米结构中，可以产生单光子发射。
二、单光子探测技术单光子探测技术是指当光子到达某一位置时，将其转换为电信号进行检测的技术。
单光子探测技术主要有光电倍增器探测器、超导单光子探测器等。
其中，光电倍增器探测器是一种比较常见的技术，它将光子转换为电子，并将电子倍增，放大其信号。
这种技术具有检测灵敏度高、时间分辨率高等优点，但同时也受到光子吸收效应的影响，从而限制了其检测距离和灵敏度。
超导单光子探测器是一种能够在极低温下运行的技术。
它由超导材料、微波和光探测器组成，具有灵敏度高、探测距离远等优点，但需要针对不同光源进行不同的调整，操作和维护较为麻烦。
三、单光子技术的应用单光子技术广泛应用于通信、量子计算、医学、生物学等领域。
在通信领域，单光子技术可以用于实现秘密的密钥分发、光学量子计算等。
在医学和生物学领域，单光子技术可以用于分子成像、神经元成像等应用。
在量子计算领域，单光子技术可以用于量子纠缉、量子错误更正等方面，为量子计算的实现提供了关键的技术支持。
高效率大面积超导纳米线单光子探测器研究单光子探测技术是量子信息和量子通信研究中的重要一环,是实现对单量子态进行操控、处理和研究的技术前提。
而超导纳米线单光子探测器(SNSPD)是一种最新的单光子检测技术,它具有高效、快速、准确地探测单光子,同时暗计数低、响应频谱宽等特点,是当前单光子探测技术研究领域中的热门研究方向。
经过近年来的发展,SNSPD表现出比其他现有单光子探测器更优异的性能。
在探测效率方面使用NbN材料制备的探测器,其在1550 nm波段的系统探测效率已经达到70%以上,而此时的暗计数却只有100 Hz。
同时NbN SNSPD的时间抖动也能够达到50 ps,重复速率理论上超过100 MHz。
由于超导纳米线单光子探测器非常突出的性能,近几年来,它被广泛应用于量子保密通讯、集成电路检测、生物荧光检测、单光子源标定、分布式光纤传感还有深度成像等领域。
本文以理论计算优化模型设计参数和实验研究并重,对超导纳米线单光子探测器进行了一番深入的研究。
具体的研究成果主要包括以下几个方面：1.设计了利用光学薄膜谐振腔的、有效探测面积为30 μm×30μm的高效SNSPD,并对其结构进行了仿真优化。
使用磁控溅射研究制备出大面积、均匀的超薄NbN薄膜(4-6 nm)。
在电子束曝光中通过曝光图形的优化设计、控制加速电压等一系列手段对曝光过程中出现的邻近效应进行校正。
系统分析研究了几种电子束抗蚀剂的分辨率、灵敏度等曝光性能,通过调节优化胶膜厚度、曝光剂量、显影条件以及RIE刻蚀工艺的优化,完成了对大面积纳米线条宽度、均匀性和边缘陡直度的精细控制。
成功制备出均匀、陡直性非常好的大面积纳米线条并用它制备出了SNSPD.研制的大有效探测面积的SNSPD,对1550 nm光信号,当暗计数为100cps时,系统探测效率达到72.4%,最大系统探测效率是77.2%。
对1650 nm光信号的最大探测效率达到81.2%。
超导纳米线单光子探测器的原理特点以及应用超导纳米线单光子探测器的工作原理是基于超导器件的能级结构和能量响应。
当一个光子被探测器吸收后，其能量会导致超导纳米线中的一个电子跃迁到高能级，形成一个激发态。
这个激发态将会在超导纳米线中形成一个非平衡态，进而引起超导电阻的出现。
通过测量超导电阻的变化，就可以检测到单个光子的存在。
超导纳米线单光子探测器的一大特点是其高灵敏度。
由于超导器件对单个光子的能量响应是量子化的，因此超导纳米线单光子探测器具有非常高的探测效率。
另外，超导纳米线单光子探测器具有高时间分辨率和低噪声水平。
这使得它成为一种非常理想的用于检测光子的工具。
超导纳米线单光子探测器具有广泛的应用。
首先，它可以用于光学通信领域。
在光纤通信系统中，通过使用超导纳米线单光子探测器，可以实现高速、高灵敏度的光信号接收和处理，从而提高通信系统的性能。
其次，超导纳米线单光子探测器可以用于量子通信和量子计算领域。
由于其高灵敏度和高时间分辨率，它可以检测到单个光子的存在，并用于实现量子比特之间的相互作用和量子信息的传输。
此外，超导纳米线单光子探测器还可以用于光学传感领域。
通过测量光的强度和时间延迟等信息，可以实现对光学信号的精确检测和测量，从而应用于环境监测、生物医学、材料科学等领域。
总结起来，超导纳米线单光子探测器是一种基于超导电子器件原理的高灵敏度光子探测器，其通过测量超导电阻的变化来检测单个光子的存在。
它具有高灵敏度、高时间分辨率和低噪声水平等特点。
在光学通信、量子通信和量子计算以及光学传感等领域，超导纳米线单光子探测器都有广泛的应用前景。
单光子探测技术的发展趋势及应用光子是量子力学中的基本粒子之一，而单光子是指在一定时间内只存在一个光子。
单光子探测技术是指通过精密的实验仪器，通过一定的技术手段，准确地检测单个光子的存在和其产生的特性。
这项技术涉及到量子力学、光学、电子学、材料学等多个领域，是一项综合性强的技术。
单光子探测技术的历史可以追溯到20世纪50年代，当时A.S. Cooper等人首次提出了单光子探测的思路和方法，并通过实验进行了验证。
但当时的技术条件十分有限，甚至连现在最基本的冷却技术都没有。
从那时起，单光子探测技术的发展进程持续了半个多世纪，经过了多次革命性的突破，逐渐成为了一个重要的前沿技术领域。
单光子探测技术的发展既包括硬件的技术进步，也包括算法和数据处理的提升。
从硬件角度看，单光子器件是单光子探测技术中最关键的部件。
其中最为常见的两种单光子器件是单光子探测器和单光子发生器。
单光子探测器广泛应用于量子通信、量子计算、生命科学等领域。
其中，超导性单光子探测器是应用最广泛的一种，它的检测效率和时间分辨率达到了极高的水平。
除此之外，布拉格衍射光学器件和钙钛矿材料也是近年来单光子探测领域中备受关注的研究方向。
从算法和数据处理角度看，单光子探测技术的应用范围也越来越广泛，研究者们提出了多种新型的算法和方法。
其中，能够在存在噪声的情况下，准确地判断光子的存在性和数量的Bayesian估计算法备受关注。
除此之外，深度神经网络、量子机器学习等新兴技术也为单光子探测技术带来了新的应用前景。
例如，利用深度神经网络对光强度变化进行监测，能够实现高效、高精度的光通信系统。
单光子探测技术的应用范围十分广泛，涵盖了多个领域。
在量子通信方面，单光子的量子密钥分发是一项重要的技术，它可确保通信的安全性。
在生命科学中，单光子探测技术被广泛应用于分子荧光检测、细胞成像等领域，能够提供高分辨率的成像结果，对于生命科学研究有着不可或缺的重要意义。
在材料科学领域，单光子探测技术可以检测光的散射和吸收，有助于研究材料的能带结构和光学性质。
赋能超导纳米线单光子探测器（SNSPD）的制冷技术 超导纳米线单光子探测器（SNSPD：Superconducting nanowire single-photon detector）作为一种高性能的单光子探测器，已经广泛的应用于量子信息、激光雷达、深空通信等领域，有力推动了相关领域的科技进步。
然而，迄今为止，所有的SNSPD 都只在地面实现了应用验证，包括美国NASA 2013 年的月地激光通信LLCD 项目，也是在地面接收站使用了超导单光子探测器，在卫星上不得不使用了性能较差的半导体单光子探测器。
如果能够在空间应用中采用SNSPD，有望实现空间光通信技术的跨越式发展，大幅提升深空激光通信和量子通信的距离和成码率。
而制约SNSPD 空间应用的主要因素是制冷技术。
SNSPD 通常需要在液氦（4.2K）以下温区工作，典型的解决方案是采用商用的G-M 二级闭合循环制冷机。
包括上海赋同科技有限公司在内全球6家公司SNSPD 商业化产品都采用类似的制冷技术。
然而这类制冷机由于采用了油压缩机，冷头有运动部件；而且受到这类制冷机体积、重量功耗制约，使得这类制冷机无法实现空间应用。
面向空间应用对高性能单光子探测技术的需求，全球科研人员一直在努力发展面向空间应用的小型液氦温区制冷机技术，并期望将其和高性能SNSPD 结合。
2017年1月，美国NIST 最先报道了一个基于三级脉管加JT 节流技术的小型制冷机，然而JT的压缩机尚未成功研制，且未能实现SNSPD 的性能测试【IEEE Trans on Appl Supercond 27: 9500405 (2017)】。
2017年9月，英国Glasgow 大学报道了一个基于斯特林+JT 节流技术的小型制冷机，该制冷机可以满足空间应用需求，但是最低温度只能达到4.2K。
利用该制冷机研究人员实现了正常工作的SNSPD（1310 nm波长/暗计数KHz/探测效率仅20%），但是性能非常有限，和半导体探测器性能相当【Supercond Sci and Tech 30: 11lt01 (2017)】。
上转换单光子探测器的研究及技术进展单光子探测器（Single photon detector）是一种能够探测到单个光子的器件，具有广泛的应用前景。
在过去的几十年中，对于单光子探测器的研究和技术进展有了重大突破，尤其在材料、结构和探测原理等方面取得了显著进展。
首先，材料方面。
过去，铠甲重计数器（APD）是最常用的单光子探测器。
然而，砷化镓（GaAs）和铟镓砷化物（InGaAs）等材料的发展使得人们有了更好的选择。
这些半导体材料都可以用来制造高性能的单光子探测器。
而且，随着纳米技术的进步，人们已经可以制造出非常小尺寸的探测器，从而提高了探测器的空间分辨率。
其次，结构方面。
近年来，人们对于单光子探测器的结构进行了改进，以提高其灵敏度和效率。
例如，超导单光子探测器（SSPD）是一种基于超导电子材料的探测器。
与传统的光电倍增管（PMT）和APD相比，SSPD具有更高的量子效率和更低的暗计数率。
此外，人们还研究了微腔单光子探测器（Microcavity Single Photon Detector，MCSPD）。
该探测器利用了光与微腔模式的相互作用，从而实现了更高的灵敏度和探测效率。
最后，探测原理方面。
目前常见的单光子探测原理有直接探测、光电倍增管、电子单光子探测器以及光子计数。
其中，直接探测原理是利用半导体材料的光电效应，将光子转化为电子，然后测量电子的信号来进行光子探测。
光电倍增管则是通过将光子转化为电子，并通过多级倍增过程放大电子信号，从而实现对单光子的探测。
电子单光子探测器是一种新型的探测器，它利用了电子束缚态的能级结构，通过测量电子的能级跃迁来进行光子探测。
光子计数是一种基于光子与其中一种介质的相互作用的原理。
它通过测量光子与特定介质反应产生的光子来进行光子计数。
总之，随着材料、结构和探测原理的不断改进和突破，单光子探测器的性能不断提高，应用领域也越来越广泛。
目前，单光子探测器已经在量子通信、量子计算、量子密钥发电等方面得到了广泛应用。
中国科学:信息科学2014年第44卷第3期:370–388 超导纳米线单光子探测技术进展尤立星xyx信息功能材料国家重点实验室,中国科学院上海微系统与信息技术研究所,上海200050y中国科学院上海超导中心,上海200050E-mail:lxyou@收稿日期:2013–05–27;接受日期:2014–01–03国家自然科学基金(批准号:91121022)、国家重点基础研究发展计划(批准号:2011CBA00202)、国家高技术研究发展计划(批准号:2011AA010802)和中国科学院战略性先导科技专项(B类)(批准号:XDB04010200,XDB04020100)资助项目摘要超导纳米线单光子探测技术自2001年出现以来,已经成为超导电子学领域的一个热点研究方向.作为一种新型的单光子探测技术,其具有探测效率高、暗计数低、时间抖动小、计数率高、响应频谱宽、电路简单等优势,综合性能在近红外波段已经明显超越传统的半导体探测技术,成为一种主流的单光子探测技术.本文从应用基础角度出发,对超导纳米线单光子探测器件的材料、器件工艺、性能、系统集成以及前沿应用等进行介绍,并对国际上该领域研究未来的发展趋势进行探讨.关键词单光子探测超导纳米线单光子探测量子通信探测效率暗计数时间抖动1引言探测技术是对于物质实现有效感知的技术,极限灵敏度探测能力是探测技术发展的终极目标.对于光来说,光能量的最小单位是一个光子,这是由量子理论确定的不可再分的量子极限.因此光探测能力的极限将是实现单个光子探测.单光子探测技术(single photon detector/detection,SPD)作为极限灵敏度光信号测量技术,在量子信息技术、物理、化学、生物和天文等领域具有不可替代的作用.特别是在量子信息领域,单光子探测技术已经成为该领域发展不可或缺的核心关键技术之一.在量子信息、生物荧光分析、激光雷达等应用对SPD技术需求推动下,基于硅材料的雪崩光电二极管(APD),光电倍增管(PMT)等SPD技术发展迅速,已经出现一些较为成熟的商用半导体单光子探测器产品,著名的产品厂商包括德国PicoQuant公司、Excelitas公司、瑞士的ID Quantique 公司、法国AUREA公司和日本Hamamatsu公司等.这些SPD已经获得了较为广泛的应用.但是多数SPD只能工作在可见光区域.近红外波段很多应用(光纤量子通信等)对在近红外波段工作的SPD提出了迫切的需求.基于Si的APD和PMT由于材料禁带宽度的制约无法实现近红外波段单光子的有效探测.为此发展了基于窄禁带半导体材料InGaAs/InP的SPD1).其典型探测效率在1550nm可达到20%,但是其暗计数率通常很高(10KHz左右),且计数率低,时间抖动较大,整体性能和可见光波段SPD相差甚远.因此亟需发展新型近红外波段高性能单光子探测技术.在此背景下,很多近红外波段新型单光子探测技术应运而生,包括频率上转换探测[1],量子点探测器[2]以及1)Website:/en/中国科学:信息科学第44卷第3期数种超导SPD技术等.超导SPD包括超导电阻转变沿(transition edge sensor,TES)传感器[3],超导隧道结(superconducting tunnel junction,STJ)[4]以及超导纳米线单光子探测器(superconducting nanowire single photon detector/detection,SNSPD).TES和STJ研发的初衷均是面向天文应用的高能射线和粒子探测,其在可见光,近红外波段单光子探测同样具有一些非常优异的性能.比如,TES在近红外波段探测效率可以达到90%以上,暗计数几乎为零,且具备光子数分辨能力;但是其计数率很低(<100kHz),时间抖动大.更为关键的是,TES和STJ均采用极低温超导材料制备,比如钨(W),钛(Ti),铝(Al)等,这使得这些探测器必须工作在1K以下温度,这大大限制了其广泛应用的可能性.2001年,莫斯科师范大学Goltsman教授小组[5]首先利用约5nm厚的NbN超薄薄膜制备了一条200nm宽的超导纳米线,成功实现了可见光到近红外波段的单光子探测,开启了SNSPD的先河.由于SNSPD广阔的应用前景,十多年来,欧、美、俄、日很多国家和地区的多个研究小组纷纷启动开展SNSPD的研究工作.SNSPD已经成为继超导量子干涉器件(superconducting quantum interference device,SQUID)之后,超导传感器和探测器领域的又一名核心成员.随着人们对SNSPD探测机理理解逐渐深入,SNSPD的性能也得到了飞速提升.众多研究结果已经证明:在近红外波段,SNSPD在综合性能指标上明显优于其他种类的单光子探测器.围绕SNSPD的基础和应用研究报道也逐渐增多,已经对量子通信、激光测距与成像、激光通信等前沿基础研究和高技术领域发展起到明显的推动作用.相信随着SNSPD性能的进一步提升,SNSPD将成为一种SPD的主流技术,获得更为广泛的应用.这里需要说明的是,国际上对于这种探测器的命名还存在一些争议.事实上,对于一个约5nm厚, 100nm宽,数百µs长的结构,命名为“Superconducting Stripe Single Photon Detector”似乎更为合适.但是考虑大多数研究人员的习惯,本文仍采用SNSPD这个普遍采用的名称.2009年,Robert Hadfield[6]在Nature P hotonics上撰文对SPD在量子信息领域应用做了综述性介绍.2012年,Natarajan等[7]在Superconductor Science and T echnology发表了题为“Supercon-ducting nanowire single-photon detectors:physics and applications”的综述性文章,对SNSPD的探测机理和一些应用做了系统的介绍.过去的一年内,SNSPD探测效率等性能又得到了大幅度的提升.本综述将结合近几年的国际最新的研究进展,着重从应用基础角度出发,对SNSPD的材料、器件工艺、结构、系统集成以及一些的最新前沿应用等进行介绍,并对国际上该领域研究目前存在的一些问题以及未来发展趋势进行探讨.2基本原理SNSPD核心是利用超薄超导材料制备的纳米线.其探测基本原理是超导纳米线吸收光子后会出现有阻的局域非平衡热点“hot-spot”.在此作用下,纳米线两端会产生电压脉冲信号,利用这种光电转换实现单光子探测.非平衡热点效应可以用于光探测的机理最先由Kadin等[8]提出;首次实验由Goltsman等[5]完成.我们给处于超导态的纳米线施加一个偏置电流(I b),该偏置电流略小于其临界电流(I C).由于光子的典型能量为∼1eV,而典型SNSPD材料的超导能隙电压在∼meV量级.因此当一个光子能量被纳米线吸收后,会在纳米线局部产生一块非超导的热点(“hotspot”)区域,这个热点的尺寸取决于光子的能量和材料特性,典型值在∼10nm左右[9,10].热点的存在使得热点区域周围的电流密度超过其超导临界电流密度,从而在该热点位置产生横跨超导纳米线的有阻区,典型长度为几十纳米.对于超薄薄膜材料,该有阻区的能量能够快速的通过衬底弛豫掉,从而恢复超导态.这个有阻区从产生到消失的过程会导致纳米线两端出现一个电压脉冲.通过对电压脉冲的监测,就可以实现单371尤立星:超导纳米线单光子探测技术进展光子探测.通过以上描述可以看出,SNSPD实现单光子探测的过程可以分为2个过程,第1个过程是纳米线吸收光子产生热点的过程;这个过程涉及到纳米尺度光子和库伯对及声子的相互作用,目前尚没有完备的理论解释,但是从能量吸收观点可以做简单得定性描述.第2个过程是从热点产生开始到横跨纳米线的有阻区产生并最后消失的过程.该过程可以利用纳米线热传导模型和电路模型相结合进行很好的描述,并且理论模型和实验结果能够取得较好的一致[7].SNSPD的探测机制决定了SNSPD的基本几何结构:(1)纳米线的线宽要足够小,典型线宽小于200nm.从而保证在特定偏置电流下,纳米线吸收光子后产生的热点能够有效的触发横跨整个纳米线的有阻区的产生;(2)超薄超导材料厚度要足够薄,典型厚度是不超过10nm.皮秒量级的薄膜与衬底的声子–声子作用时间使得超薄超导薄膜和衬底之间具备快速热弛豫能力[11].这使得吸收光子形成的有阻区的焦耳热能够快速的弛豫,即热弛豫能力超过焦耳热能力,实现正常的单光子探测.反之,如果热弛豫能力不足,焦耳热会形成正反馈,导致最终形成一个稳定的有阻区,这种现象也被称为跳锁(latching).快速热弛豫能力也是SNSPD具备高计数率的本质原因.3主要性能指标SNSPD作为一种SPD,用于评估其性能的主要指标和半导体SPD基本一致.主要有以下几个参数:探测效率(detection efficiency),暗计数(dark count rate),时间抖动(timing jitter),计数率/死时间(counting rate/dead time)等,其他一些常见的性能评估还包括:光子数分辨能力(photon number resolvability,PNR)、响应波长范围、工作温度等.下面将就其主要性能指标做一一介绍.探测效率探测效率的定义是探测到的光响应计数和入射光子数的比值.探测效率的表述在文献中通常存在2种不同方式,包括系统探测效率(system detection efficiency,SDE)和器件量子效率(quantum efficiency,QE).SDE通常是指将SNSPD系统光耦合损失包含在内的总效率.QE通常指扣除光耦合损失后器件的本征探测效率.由于在单光子量级上光耦合损失的判定往往存在一定的不准确性,其QE结果的精确性也难以保证.此外,理论和实验研究都表明,单根纳米线的QE可以达到或至少接近于1;而且光耦合永远是单光子探测无法回避的问题.因此,下文中除非特别说明,我们讨论的探测效率都是指系统探测效率SDE.对于理想的SNSPD,假设单根纳米线的量子效率为1,器件的量子效率主要取决于器件纳米线的光吸收效率.光学计算表明:5nm厚的NbN薄膜的1550nm工作波长光吸收效率小于0.5(NbN材料折射率以5.23+5.82i计算[12]);另外由于微纳加工工艺的制约,纳米线还存在一定的占空比,这决定了SNSPD的光吸收效率还会进一步降低.因此,如何提高纳米线的光吸收效率是决定SNSPD的关键因素之一[13].对于非理想的SNSPD,除了光吸收效率以外,超薄超导薄膜材料在纳米尺度的厚度均匀性以及微纳加工带来的纳米线线宽的一致性也会对器件QE产生决定性影响.SNSPD的QE和器件的工作点(相对偏置电流:I b/I C)直接相关.如果将SNSPD纳米线看成N段纳米线串联,对于理想的SNSPD器件,I b/I C(n)|n=1,...,N是一致的,即每段纳米线的量子效率也相同.而材料的不均匀性以及纳米线线宽的不一致性会导致I C(n)不完全相同.因此,在偏置电流相同,且I b<I C(n)的条件下, I b/I C(n)|n=1,...,N也不同,因此每段纳米线的量子效率也不完全相同.这会影响整体SNSPD的量子效率.暗计数暗计数是指SNSPD器件或系统在没有光入射情况下自发产生和光子响应完全无法区372中国科学:信息科学第44卷第3期分的计数.实验研究表明SNSPD器件的暗计数主要和超导薄膜在非零温度下的磁通涡旋–反磁通涡旋对(VAP)的行为有关.在非零温度下,VAP随着偏置电流的增加,其拆散概率会逐渐增加,从而会在纳米线上产生局域的“热点”,并和偏置电流共同作用下最终导致有阻区的出现,从而产生电压脉冲.因此,降低SNSPD的工作温度,或减小器件的偏置电流都可以降低器件的暗计数.但是降低器件工作温度会使得制冷成本大幅增加,而减小偏置电流会降低探测效率.关于SNSPD暗计数和温度关系研究详见文献[14,15].对于SNSPD系统来说,由于系统背景热辐射,光纤引入的杂散光以及电路引入的电磁干扰也会导致暗计数的出现.因此系统的暗计数通常会大于器件的暗计数.特别是在低偏置电流情况下,由于VAP导致的暗计数非常低,环境引入的系统暗计数将占主导地位.因此,必须要优化SNSPD系统光、热、电设计,从而减小系统的暗计数水平.Shibata等[16]报道,利用光纤滤光器抑制光纤引入的黑体辐射,使得系统的暗计数得到大幅降低.但是低温下滤光器衰减的增加也带来了系统探测效率的降低.时间抖动时间抖动是指信号到达的时间和理想到达时刻的偏差.对于SNSPD来说,通常定义为固定光脉冲重复频率情况下,单光子响应电信号上升沿的时间间隔的不确定性.SNSPD本征的时间抖动起源尚未形成定论,可能和器件的长度,热点以及有阻区形成时间的不确定性有关系.由于SNSPD的单光子响应脉冲幅度通常在1mV左右甚至更小,必须采用前置放大器.因此SNSPD时间抖动的测量结果通常包含放大器等电路元件的抖动在内,难以直接获得SNSPD器件的本征时间抖动.时间抖动测量的阈值电平通常选择信号上升沿斜率最大处.测量时间抖动主要采用时间关联单光子计数(time correlated single photon counting,TCSPC)方法,一些先进的示波器(比如Tek70000系列)也支持时间抖动测试和分析功能.要想获得SNSPD器件的准确的时间抖动,必须了解抖动测试系统中每个部分的抖动,从而通过计算获得SNSPD的时间抖动.此外,测量的电压脉冲的信噪比也会对抖动大小有一定贡献,通过提高信号幅度,降低器件和电路噪声,提升信号上升沿斜率都会减小时间抖动的测量结果.Pernice等[17]报道的SNSPD器件的抖动结果已经优于18ps.上海微系统所最新结果,已经将使用SNSPD的TCSPC系统时间抖动减小到18ps,计算的器件抖动达到15ps,达到了世界最好水平[18].计数率/死时间计数率是指SNSPD器件所能响应光子脉冲最高重复频率.而死时间是指SNSPD 接收到一个单光子产生电响应脉冲后,无法再进行探测的时间,和器件的光响应脉冲宽度类似.计数率和死时间通常成反比.SNSPD由于超导材料的热弛豫时间非常短,典型值在几十ps,这意味着SNSPD 的最高工作频率可定义达到数十GHz.对于实际器件来说,为了增强器件的光吸收效率,通常器件的纳米线长度会达到毫米量级,这使得SNSPD存在较大的动态电感,从而增加了器件的死时间,降低器件的计数率.对于典型的MgO衬底5nm厚NbN薄膜制备的100nm线宽的SNSPD器件,如果器件光敏面为10µm×10µm,纳米线占空比为50%,器件纳米线长度约0.5mm,器件动态电感约为350nH,对应的器件脉冲宽度/死时间约7ns,这也意味着该SNSPD器件的计数率约为100MHz.通常当脉冲光子的重复频率超过SNSPD计数率后,器件经常会发生跳锁现象[19].这和SNSPD 器件通常采用的恒流源偏置方式有关.如果采用恒压源偏置方式,可以避免器件发生跳锁[20].因此即使光重复频率更高,器件仍然能够工作.对于探测效率较低的器件,探测效率性能基本不受影响,但是对于探测效率较高的器件,或者工作频率提高很多,探测效率还是会有明显降低.探测效率降低的原因是由于无法响应连续的光脉冲中后一个脉冲造成的.图1给出了在恒压源偏置下SNSPD探测效率和光重复频率的关系.该器件计数率约100MHz,由于其效率较低,约1%,可以实现高达3GHz的稳定工作.373尤立星:超导纳米线单光子探测技术进展101001000Photon repetition rate (MHz)0.11D e t e c t i o n e f f i c i e n c y (%)图1恒压源偏置条件下,不同光强情况下,SNSPD 探测效率和光重复频率的关系Figure 1Dependence of SNSPD SDE on the repetition rate of photons with a constant-voltage bias4器件材料SNSPD 材料选择对于器件性能至关重要.不同材料制备的SNSPD 性能差异会非常大;此外衬底材料的选择的不同也会直接或间接的影响器件的性能.SNSPD 材料的选择主要考虑以下几个方面的因素:超导材料的能隙电压,超导转变温度,长时稳定性以及均匀的超薄材料获得的难易程度等.原则上不管低温超导材料还是高温超导材料,其能隙电压均小于近红外波段光子能量.因此,都可以用于SNSPD 研制.但是,由于高温超导材料能隙电压比低温超导材料高一个数量级,因此其探测灵敏度预期会明显低于低温超导材料;此外,高温超导材料成分复杂,稳定性弱于Nb 系低温超导材料,而且难以获得高质量的超薄高温超导材料.所以目前SNSPD 主要研究都集中于低温超导材料,主要材料包括NbN,NbTiN,Nb,NbSi,TaN,WSi,MgB 2,MoRe 等.为了获得稳定且均匀的超薄超导薄膜,通常采用室温或高温磁控溅射的方式生长,可以是外延生长的单晶薄膜,也可以是非晶薄膜,关键是薄膜材料在纳米尺度的均匀性.下面将对这些材料在SNSPD 中的应用情况做简单比较.•NbN SNSPD 制备最常用的材料,常用衬底材料包括:MgO,Sapphire,Si,SiO 2/Si,GaAs 等.单晶和非晶薄膜均可.MgO 和SiO 2/Si 衬底上5nm 厚薄膜器件超导转变温度约10K 和7K,SiO 2/Si 衬底制备SNSPD 探测效率最高已达到76%[21].•NbTiN 材料超导性能和NbN 接近,常用衬底材料包括:MgO,SiO 2/Si 等,单晶和非晶薄膜均可.制备SNSPD 器件暗计数明显低于NbN 器件,利用SiO 2/Si 衬底采用光学腔体结构的器件最高系统探测效率已超过74%[22,23].•Nb 最传统的低温超导材料,常用的衬底材料包括Sapphire 和Si,通常为非晶薄膜.Sapphire 衬底上生长的7nm 厚Nb 薄膜器件Tc 约4K,临界电流密度和电阻率比NbN 低,因此器件电感较小,速度快.但是热弛豫时间长,更容易跳锁.目前报道的探测效率普遍不高[24].•NbSi SiO 2/Si 衬底上生长的10nm 厚非晶NbSi 薄膜超导转变温度约2K,300mK 测量温度下,近红外波长探测效率超过90%[25].•TaN Sapphire 衬底高温外延生长,10nm 薄膜超导转变温度约10K,2.3nm 厚约6K.从转变温度看,应该也是一种比较合适的器件材料,但是目前报道器件效率仍很低,可能和材料均匀性有关[26].374中国科学:信息科学第44卷第3期(a)(b)(c)1 µm EHT = 3.00 kVSignal A = SE2WD = 3.6 mmMag = 13.03 K XDate: 3 Apr 2013Time: 10:27:22图2(a)SNSPD器件光学照片,芯片尺寸为3mm×3mm;(b)器件核心区域放大图,中间区域为光敏纳米线区域,大小为15µm×15µm;(c)纳米曲折线区域SEM图片.纳米线线宽为100nm,占空比为50% Figure2(a)Optical image of SNSPD,the chip size is3mm×3mm;(b)zoom-in of SNSPD,the center of which is the photon-sensitive area of the meandered nanowire.the size is15µm×15µm;(c)SEM image of the meandered nanowire. the linewidth is100nm and thefilling ratio is50%•WSi SiO2/Si衬底上生长的4.5nm厚非晶薄膜超导转变温度约4K,超导能隙小,灵敏度更高.120mK温度下,暗计数0.01Hz时,系统探测效率超过90%[27,28].•MgB2采用Sapphire衬底,分子束外延方式生长的10nm厚超导转变温度约20K,电声子弛豫时间短(2ps),速度比Nb基探测器快.但材料均匀性控制难,目前尚没有高性能器件报道[29,30].通常衬底材料的选择是考虑和薄膜的晶格匹配,常用的衬底材料包括MgO和Sapphire.但是对于SNSPD,已有的研究结果表明,均匀性才是决定SNSPD性能的关键.因此,外延生长的单晶薄膜并非唯一的选择,非晶薄膜同样可以制备高性能的器件,甚至性能更好.选择衬底时,衬底的质量是必须要考虑的关键因素之一.由于工艺的不成熟,MgO和Sapphire衬底不可避免的会存在随机的表面缺陷(比如原子层台阶,点缺陷等),这是造成利用单晶薄膜制备SNSPD器件的一致性差,产率较低的主要原因之一.采用工业级成熟的Si衬底生长非晶超导薄膜是一个非常好的选择.主要好处体现在2个方面:(1)利用硅衬底可控的表面氧化工艺,可以形成天然的腔体结构,用于大幅提高纳米线的光吸收效率;(2)硅衬底生长的薄膜T C比MgO衬底薄膜略低,意味着材料的能隙也略低,可以进一步提高SNSPD的灵敏度;(3)硅衬底的均匀性和一致性优于MgO或Sapphire等常用外延衬底.目前利用硅衬底(包括表面氧化硅衬底)制备器件性能和成品率都明显优于MgO和Sapphire衬底的器件.此外,采用Si衬底意味着所有的Si基微纳加工技术都可以应用到SNSPD制备中,比如Si光波导,MEMS 微加工工艺等,这将是SNSPD未来发展的重要趋势.为了和半导体光电器件应用结合,还可以采用使用GaAs衬底,目前已有这方面的工作报道[31].5器件结构基本结构SNSPD器件的结构的基本单元是利用超薄薄膜制备的纳米线.通常将纳米线构造成曲折线(meander)结构,从而提高纳米线的光耦合效率.因此形成了以曲折线为基本结构单元的绝大多数SNSPD器件结构.为了使得光响应高频电脉冲信号能够和外围射频读出电路匹配,通常构造50Ω共面波导结构连接纳米曲折线结构.典型的器件结构见图2.光学腔体结构由于超薄薄膜的低光吸收效率以及纳米线存在一定的占空比,上述传统SNSPD 器件的光吸收效率不超过30%.为了增强SNSPD的光耦合效率,Rosfjord等在2006年首次提出了利用光学腔体结构提高SNSPD光耦合的方法(见文献[32]中图1),使得器件的量子效率得到了大幅度375尤立星:超导纳米线单光子探测技术进展提升.目前光学腔体结构已经成为一种SNSPD器件制备的主流结构.2013年日本NICT的Miki等报道利用双腔体结构制备的NbTiN材料SNSPD器件系统探测效率最大已经达到76%,其中一个腔体由衬底表面SiO2与Si形成,另外一个腔体由SNSPD上面生长的SiO和Ag形成,具体结构见文献[23]中图1.抗极化敏感结构传统的纳米曲折线结构决定了SNSPD器件具有光极化敏感特性.当纳米线的方向和光的极化方向相同时,光的吸收率高,探测效率也高,反之则比较低.为了解决这个问题,可以构造圆形纳米线或面内不同方向纳米线组合来解决这个问题[33],但是这也可能会带来最大探测效率降低的问题.Verma等[34]2012年报道采用WSi材料制备的双层垂直方向纳米曲折线SNSPD串联,在实现了探测效率达到85%的同时,使得极化敏感度降低到2%.串并联纳米线曲折线结构尽管SNSPD具备很好的单光子探测性能,但是其探测机理决定了即使2个或者多个光子打到纳米线上,也只能获得一个电压脉冲信号,因此其并不具备光子数分辨能力.为了解决这个问题,可以构造并联或串联纳米曲折线结构,将不同纳米线上产生的光响应电压脉冲信号叠加,从而使得SNSPD具备一定的空间光子数分辨能力[35,36].此外,将并联纳米曲折线阵列结合一些电阻和电感,可以实现单光子响应雪崩效应,即一条纳米线进入电阻态会触发其他所有的纳米线进入电阻态,从而形成信号幅度数倍于单条纳米线的光响应信号,增强输出信号的信噪比,从而实现高信噪比的单光子响应信号[34,37,38].光波导耦合结构如何提高纳米线的光吸收效率一直是SNSPD研究需要解决的最关键问题之一.2011年Sprenger等[39]首先提出将纳米线制备在GaAs光波导上,理论计算SNSPD光耦合效率可以达到90%以上,未来可实现光量子电路应用.2012年,Pernice等[17]报道了一种将NbN纳米线构造在Si基光波导上的SNSPD新结构.采用该结构可以实现SNSPD和硅光子学的结合,同时大大提升了纳米线光吸收效率,使得SNSPD器件的本征量子效率可以达到90%以上.该类器件还有一个重要的优点是,器件纳米线的长度可以缩短至几十微米,这使得器件的动态电感减小一个数量级,从而减小器件的死时间,提高器件的计数率.但是该类器件不可回避的一个问题是入射光和光波导的耦合损失,这将降低SNSPD系统探测效率.这也是目前硅基光子学需要解决的一个技术难题.其他结构除了上述提到的芯片级器件结构研究工作以外,如何实现器件和光纤的封装,对于提高系统探测效率也至关重要.图3是我们目前采用SNSPD封装模块照片.目前已有几种新技术来帮助或加强SNSPD器件和光纤的耦合.比如,利用MEMS工艺实现的衬底结构的加工,使得SNSPD器件可以直接放入光纤接头陶瓷管内,实现快速封装[40];利用衬底减薄工艺,提高背面对准时的光纤光耦合效率[41];利用透镜光纤实现光纤出光的有效汇聚来增强光耦合[42];甚至出现直接在光纤端面上制备SNSPD器件的研究尝试[43].此外,最新的研究结果显示,并不是纳米线的占空比越高越好.光学理论计算和实验结果都表明:在低占空比,薄膜厚度适当增加情况下(8∼10nm厚),纳米线的光吸收效率也可以非常高.这和纳米线在低占空比情况下电场强度增强有关[44].6器件工艺SNSPD的器件通用工艺主要包括以下几部分:•共面波导电极制备:这主要包括利用光刻工艺构造共面波导电极图形,作为电极的金属薄膜沉积,剥离工艺.•纳米线图形构造:主要通过电子束光刻技术实现所设计的纳米线结构;还有一些利用其他手段376。
