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。