超导纳米线单光子探测技术进展

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xy

x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200050

y中国科学院上海超导中心,上海200050

E-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

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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

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