超导单光子探测技术概述
2017-03-21 23:06:31   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

光具有波（电磁波）粒（光子）二象性，光子是传递电磁相互作用的基本粒子。在量子通信技术中，信息的基本载体就是单光子。因此，单光子精密定量检测的实现，不仅可以加深人类对量子微观世界的认识，而且也是实现实用化的量子通信技术的保证。单光子探测技术（SPD）是在光子尺度对光信号进行探测、分析和处理的关键技术，是光电检测技术领域的研究前沿。

单光子探测器性能指标主要有：工作波段、系统效率、暗计数、时间抖动和重复速率。工作波段是指该SPD能够探测到的光子的波长范围。系统效率是指一个光子入射到探测器上被检测到的概率。实际中，SPD系统效率和入射光子的波长相关。因此，通常将系统效率和工作波段这两个性能参数联系在一起。如，硅基单光子探测器在650nm波段的系统效率可达65%。

在没有输入入射光子情况下，由于器件、电路和其他一切因素导致的光子计数被称为暗计数。暗计数反应了SPD工作时的噪声情况。探测器探测响应和光子入射的时间差存在一定波动。由于该波动有一定的随机性，服从高斯分布。因此，其分布的宽度常采用半高宽（FWHM）来定量描述，即器件的时间抖动。重复速率是反应器件探测光子的最大速度。

目前常用的单光子探测器有：光电倍增管（PMT）、雪崩二极管（APD）等。Si-APD主要工作在400~1100 nm，Ge-APD工作在800~1550 nm，InGaAs-APD工作在900~1700 nm。此外，超导单光子探测器（Superconductor nanowire single photon detector， SNSPD）是一种新型单光子检测器，兼具有灵敏度高和低噪声的优点，在众多领域存在潜在应用，是超导电子学领域的研究热点。

超导单光子探测器示意图

1990年，Kadin等首次提出利用吸收光子后在二维超导体上形成的涡旋—反涡旋对（VAP）来检测红外光子。基于这个思想，Gupta等提出氮化铌（NbN）超导纳米线的单光子探测器模型。Semenov等提出给NbN超导纳米线加一个偏置电流以辅助超导态的临界转变进而实现对单光子的检测。2001年，Gol'tsman等在实验上制备出世界上第一个超导单光子探测器。

近年来，SNSPD的实验研究发展迅速，受到超导电子学、光电探测、量子信息等领域研究人员的广泛重视。SNSPD的快速发展对于基础研究、工业应用和军事技术等都具有极大的推动作用。

SNSPD的单光子探测理论模型

SNSPD的单光子探测过程可分为如下3步：超导纳米线被冷却到超导转变温度以下，并偏置在稍低超导临界电流的状态；当一个光子被超导纳米线吸收后，在纳米线上形成一个电阻态区域；通过检测这个电阻态即可以检测到入射光子；检测完后，器件自动恢复到初始状态，准备检测下一个入射光子。

热点模型下的SNSPD工作方式示意图

热点模型是用于解释SNSPD工作机制的一个主要理论模型。超导纳米线吸收光子产生热点，如果光子能量足够高，产生的热点足够大，热点就会阻断超导纳米线，在器件上形成电阻态，通过检测这个电阻态即可以探测到入射光子。热点模型可以定性的分析光子能量与检测概率的关系，即光子能量越大，破坏纳米线超导态的概率越高，检测概率越大。

SNSPD纳米线的制备材料

目前，制备SNSPD纳米线的材料主要有NbN、NbTiN、Nb等。为了获得更好的系统探测效率，一些新型的超导材料也被采用制备SNSPD，比如铌钛氮（NbTiN）、硅化钨（WSi）、二硼化镁（MgB2）、氮化钽（TaN）、硅化钼（MoSi）、钼锗化合物（MoGe）等。目前用于制备SNSPD最广泛的材料还是NbN薄膜。

SNSPD超导薄膜制备技术

目前，在实验室和工业生产中，得到广泛应用的薄膜制备技术主要有离子束辅助沉积法（IBAD）、真空蒸发镀膜法（Evaporation）、分子束外延（MBE）、脉冲激光沉积法（PLD）、化学气相沉积法（CVD）、溶胶-凝胶法（sol-gel）以及磁控溅射镀膜法（Magnetron Sputtering）等。质量优异、性能稳定的薄膜材料是研制高性能电子器件的保证。

北京埃德万斯近年与国内相关单位合作开展相关研发工作，已取得相当的进展；采用IBA-IBSDS制备的NbN薄膜20 x 20 um2的共面波导（CPW）上，利用离子束刻蚀（IBE）技术刻蚀出0.2 um的折线形成微结构，所制成的SPD器件最高量子效率可达57%，响应速度已达~GHz量级。