自差分交流偏置超導(dǎo)納米線單光子探測器*

馬璐瑤 張興雨 舒志運 肖游 張?zhí)熘?李浩? 尤立星

1) (中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所,信息功能材料國家重點實驗室,上海 200050)

2) (中國科學(xué)院大學(xué),北京 100039)

超導(dǎo)納米線單光子探測器(SNSPD)因其優(yōu)異的綜合性能,在量子信息、激光雷達(dá)等方面有廣泛的應(yīng)用.通常,SNSPD 工作在直流偏置下,在時域上具有自由運行探測的優(yōu)點.而在衛(wèi)星激光測距、單光子激光雷達(dá)等光信號到達(dá)時間有規(guī)律的應(yīng)用場景中,使用交流偏置有望提升器件運行速率、有效抑制背景暗計數(shù),卻存在信號讀出困難的棘手問題.本文報道了自差分讀出的交流偏置SNSPD 系統(tǒng),該系統(tǒng)包含兩根并行排布納米線構(gòu)成的2-pixel SNSPD 器件.給兩根納米線加載相同的100 MHz 交流偏置信號,并對兩路輸出信號差分使噪聲信號相抵消,實現(xiàn)光子響應(yīng)信號的讀出.基于該方法測得,響應(yīng)信號的信噪比相比差分之前提升10 倍,在交流偏置下器件的暗計數(shù)降低至直流偏置下的約1/4,計數(shù)率達(dá)到直流偏置下的約1.5 倍.本文為交流偏置SNSPD 測試提供了一種思路,為其應(yīng)用提供參考數(shù)據(jù).

1 引言

超導(dǎo)納米線單光子探測器 (superconducting nanowire single-photon detector,SNSPD)具備高探測效率[1]、低暗計數(shù)[2]、低時間抖動[3?5]等優(yōu)異性能,是目前主流的單光子探測器之一,被廣泛應(yīng)用于量子密鑰分發(fā)[6,7]、單光子成像[8,9]、高精度激光測距[10,11]等前沿領(lǐng)域.

一般地,SNSPD 在直流偏置下工作[12],當(dāng)光子入射并被納米線吸收時,納米線失超產(chǎn)生有阻區(qū),從而在其兩端產(chǎn)生一個可測量的輸出電壓脈沖,一段時間后,憑借自身動態(tài)電感的作用,器件恢復(fù)至超導(dǎo)狀態(tài)[13].恢復(fù)時間τ主要由動態(tài)電感LK決定,這種運行模式被稱為自由運行模式.在該模式下,當(dāng)兩個光子到達(dá)的時間間隔小于τ時,后一光子只能以較低的概率被探測到[14].

門控模式是SNSPD 的另一種運行模式,具有提升器件運行速率、降低暗計數(shù)等潛在優(yōu)勢.其中,交流偏置是實現(xiàn)門控模式的一種方案.但在交流偏置下,由于信噪比較低,響應(yīng)信號往往需要經(jīng)過后處理方可讀出.國內(nèi)外眾多研究小組曾對此展開相關(guān)研究,探索交流偏置下的信號讀出方案.南京大學(xué)的張臘寶等[15]使用重復(fù)頻率為100 Hz 的方波作為交流偏置電流,使器件周期性地交替處于關(guān)閉和運行狀態(tài),實現(xiàn)自復(fù)位、防閂鎖的功能,其重復(fù)頻率低,無需對信號進行后處理;信息工程大學(xué)的劉帆等[16]使用一個T 形三通接頭,在直流偏置中加入方波,為器件提供交流偏置,然后在輸出端使用低通濾波和整形的方法,獲得高信噪比的輸出信號,該方法有效抑制了暗計數(shù),但偏置信號的重復(fù)頻率仍處于較低水平,最高為8 MHz;馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校的Ravindran 等[17]使用負(fù)反饋淬滅的方法為器件提供交流偏置,并在2.8 K 的低溫下直接將脈沖振蕩信號放大并輸出,實現(xiàn)器件在百兆赫茲水平下的交流偏置和讀出,該方法優(yōu)化了器件的計數(shù)率、暗計數(shù)和時間抖動,但涉及低溫下的信號處理,實現(xiàn)難度高;卡爾斯魯厄理工學(xué)院的Knehr 等[18?21]為器件提供吉赫茲級別的正弦偏置電流,使用頻分復(fù)用的方式讀出,成功使16 像素RF-SNSPD 陣列在交流偏置下正常運行,為大型SNSPD 陣列的偏置和讀出提供一種解決方案.

本文設(shè)計了一種交流偏置下較為簡單的偏置-讀出方案,移除偏置樹(Bias-Tee)中的電感,使交流偏置電流順利加載至器件,使用了專門設(shè)計并制備的2-pixel SNSPD 器件進行測試,然后用自差分法提升輸出信號信噪比,探究并比較了直流偏置與交流偏置下,其性能的變化.

2 器件設(shè)計與制備

使用的自差分降噪方法旨在給兩條納米線加載相同的交流偏置信號,通過相同的放大電路后,在輸出端獲得可以相互抵消的噪聲,調(diào)相并合路后得到響應(yīng)信號.針對這一方案,本文設(shè)計并制備了2-pixel SNSPD 器件,該器件包含兩根參數(shù)一致的并行納米線,具有相似的物理和電學(xué)特性,以獲得更好的降噪效果.

圖1(a)為2-pixel SNSPD 的橫截面示意圖,從下到上依次為268 nm 厚的SiO2、400 μm 厚的Si、268 nm厚的SiO2和6.5 nm厚的NbN納米線.器件設(shè)計時的目標(biāo)波長為1550 nm,納米線的寬度和周期為90 nm 和180 nm.圖1(b)為2-pixel SNSPD 結(jié)構(gòu)示意圖,兩根相同寬度的納米線并行蜿蜒曲折排列,組成直徑約16 μm 的光敏面.依據(jù)上述設(shè)計,本文在雙拋襯底上采用室溫直流磁控濺射法沉積6.5 nm 厚的NbN 薄膜,并采用電子束曝光和反應(yīng)離子刻蝕法制備納米線,之后通過紫外曝光和反應(yīng)離子刻蝕法制備電極微橋,完成器件制備.器件的掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)照片如圖1(c)所示.

圖1 (a) 2-pixel SNSPD 橫截面示意圖,a 和b 分別代表nanowire-1 和nanowire-2;(b) 2-pixel SNSPD 結(jié)構(gòu)示意圖;(c) 2-pixel SNSPD SEM 照片F(xiàn)ig.1.(a) Cross section of 2-pixel SNSPD,where a and b represent nanowire-1 and nanowire-2;(b) schematic of 2-pixel SNSPD;(c) SEM image of 2-pixel SNSPD.

3 直流偏置測量

首先,對器件進行直流偏置下的讀出表征.將制備好的2-pixel SNSPD 固定在一個銅質(zhì)封裝盒中,另將光纖固定在一銅塊上,利用顯微鏡、位移臺及墊片使光纖焦平面與器件平面在同一高度,并使中心對齊,隨后將光纖與銅塊的位置固定[22].然后將封裝盒用螺絲固定在GM 制冷機的二級冷頭上,二級冷頭的工作溫度為2.2 K.2-pixel SNSPD器件的一端經(jīng)打線與銅座地端相連,另一端經(jīng)低溫同軸電纜連接至外部偏置盒.偏置盒由一個三端的偏置樹(Bias-Tee)和一個常溫低噪聲放大器(LNA-650,RF Bay,Inc.)組成,放大器的增益為50 dB,帶寬30 kHz—600 MHz.直流偏置源串聯(lián)100 kΩ電阻與Bias-Tee 的 DC 端相連,偏置電流經(jīng)RF &DC 端流入器件;器件上產(chǎn)生的響應(yīng)信號從RF &DC 端流入偏置樹,再經(jīng)RF 端流出到放大器中.信號經(jīng)放大可直接輸入示波器進行觀察,或輸入計數(shù)器計數(shù).

然后,對2-pixel SNSPD 進行光學(xué)性能表征.本文使用可由外部觸發(fā)信號控制光脈沖頻率的脈沖激光光源(科大國盾量子技術(shù)股份有限公司,1550 nmps 脈沖激光器).在光源的觸發(fā)信號輸入端接入頻率為100 MHz、幅度為0—1.1 V、相位連續(xù)可調(diào)的正弦觸發(fā)信號,將產(chǎn)生的脈沖激光通過兩臺光功率衰減器(Keysight:81570A),再接到高精度光功率計(Keysight:81624B)上,調(diào)節(jié)衰減器的衰減值,使輸出激光強度為–98.92 dBm,此時光子強度為1 MHz,隨后斷開與光功率計的連接,與器件光纖相熔接,撥動三槳偏振控制器(Thorlabs,FPC561)的三枚槳葉對入射光的偏振態(tài)進行調(diào)節(jié),使計數(shù)器上顯示的計數(shù)最大后,即可進行測試.

經(jīng)測試得,器件兩條納米線的常溫電阻均為5.2 MΩ,臨界電流ISW均為8.1 μA.在相同條件下,兩納米線的I-V曲線及效率曲線如圖2(a)和圖2(b)所示.可見,兩條超導(dǎo)納米線在常溫電阻、超導(dǎo)臨界電流和光探測效率等方面具有較好的一致性.值得一提的是,觀察圖2(b)可知,在光子強度為1 MHz 的情況下,器件兩條納米線的效率為9%左右.這是由于未優(yōu)化器件且未在其上加光學(xué)結(jié)構(gòu),未來針對實際應(yīng)用需要,可制備高效率器件應(yīng)用于自差分讀出的交流偏置系統(tǒng)[23?25].

圖2 (a) 2.2 K 溫度下,nanowire-1 與nanowire-2 的I-V曲線;(b)光子強度為1 MHz 情況下,直流偏置下nanowire-1 與nanowire-2 的效率曲線Fig.2.(a) I-V curves of nanowire-1 and nanowire-2 at 2.2 K;(b) system detection efficiency (SDE) curves of nanowire-1 and nanowire-2 in DC-Bias mode under photon intensity of 1 MHz.

4 交流偏置及自差分讀出

開展交流偏置情況下的自差分讀出表征,自差分系統(tǒng)示意圖如圖3 所示.本文使用一臺信號發(fā)生器 (Tektronics:AFG3252C)產(chǎn)生兩路幅度、頻率和相位均相同的100 MHz 正弦信號,固定其最低值為0,最高值由0.3ISW逐漸增大至ISW,將兩路正弦信號分別在常溫下通過50 Ω 同軸電纜連接到觸發(fā)光源和分路器 (Mini-Circuits:ZFSC-2-372-S+)上,經(jīng)分路器得到兩路相同的交流偏置信號,兩路信號經(jīng)過兩根50 Ω 同軸電纜通過打線方式連接到2-pixel SNSPD 中 nanowire-1 和nanowire-2的輸入端.SNSPD 被封裝在一個銅制封裝盒中,并用一根1550 nm 波段的單模光纖(corning:SMF-28e)對準(zhǔn)SNSPD 中心.Nanowire-1 和nanowire-2的另一端打線連接到銅制封裝盒上接地.在交流偏置下,兩根納米線分別探測光子并輸出脈沖信號.將nanowire-1 的輸出端接放大器-1 的輸入端,nanowire-2 的輸出端接放大器-2 的輸入端.然后在放大器-2 的輸出端,連接可調(diào)長度的同軸電纜,通過調(diào)整同軸電纜的長度來改變輸出噪聲相位,使得放大器-1 輸出信號與放大器-2 輸出信號相位相反,然后將兩路信號經(jīng)合路器合并,噪聲相互抵消,實現(xiàn)自差分降噪.

圖3 光電同步自差分測試系統(tǒng)Fig.3.Self-differential testing system with synchronized laser and bias current pulses.

考慮弱光照射條件并且忽略脈沖中的多光子事件,單個光子僅能被nanowire-或者nanowire-2探測到.圖4(a)和圖4(b)給出了100 MHz 交流偏置下,探測到光子和未探測到光子的兩根納米線經(jīng)放大器后的輸出信號.該兩路信號差分提取后得到的響應(yīng)信號如圖4(c)所示.可以看出,差分前的信號信噪比約為1∶1,差分后的信噪比提升至約10∶1,因而可以通過自差分方式有效實現(xiàn)信號的高效讀取.

圖4 (a) 自差分降噪前的響應(yīng)波形;(b) 與(a)信號相差分的噪聲波形;(c) 兩信號合路、噪聲相互抵消后的響應(yīng)信號Fig.4.(a) Waveform of output signal before self-differential noise reduction;(b) waveform of the reference signal;(c) waveform of output signal after self-differential noise reduction.

在強光照射條件下,可以產(chǎn)生多光子事件:nanowire-1 和nanowire-2 同時響應(yīng)光子并產(chǎn)生脈沖,經(jīng)移相合路后,噪聲相消,光子響應(yīng)信號相疊加,所得信號幅度接近單個光子信號的兩倍.因而基于本文器件結(jié)構(gòu)還可進行光子數(shù)分辨的探測.

為進一步驗證交流偏置的有效性,本文測量了器件光子計數(shù)隨交流偏置和光脈沖之間的相位差變化關(guān)系.具體方法上,固定輸入光強、光偏振角度和偏置電流,調(diào)節(jié)光脈沖與正弦偏置電流之間的相位差,然后測試SNSPD 光響應(yīng)數(shù)目隨相位差變化的情況.由圖5 可得,在相位差逐漸由–π 增大至π 的過程中,光子計數(shù)率由小變大再變小.當(dāng)相位差為–π 和π 時光子計數(shù)率約為500,與此時暗計數(shù)相當(dāng),當(dāng)相位差為0 時,光子計數(shù)率最大.說明通過調(diào)節(jié)光脈沖與偏置信號之間的相位差,光子計數(shù)率隨之呈現(xiàn)周期性變化,且在相位差一定的情況下,光子計數(shù)率保持恒定.

圖5100 MHz 正弦電流偏置下,不同輸入光子強度時光子計數(shù)隨光脈沖與偏置電流之間的相位差變化的情況Fig.5.Variation of the photon counts with the change of phase difference under different photon intensity and 100 MHz sinusoidal bias current.

然后,基于差分讀出開展交流偏置下的器件光學(xué)性能表征.本文使用與直流偏置下相同的可外部觸發(fā)的脈沖光源,其觸發(fā)信號的頻率與器件的偏置電流頻率相同、幅度為0—1.1 V、相位連續(xù)可調(diào).使用與直流偏置下相同的方式對光脈沖進行處理后,再調(diào)節(jié)光脈沖的相位,使光脈沖與偏置信號峰值同步,使計數(shù)再次達(dá)到最大,即可開始測試.

本文在光子強度為1—200 MHz 的范圍內(nèi),對器件在直流和交流偏置下的效率和暗計數(shù)分別進行了測試,整理數(shù)據(jù)并繪制曲線如圖6(a)和圖6(b)所示.從圖6(a)可以看出,在交流和直流偏置兩種情況下,探測器系統(tǒng)效率都隨著入射光強的增強而明顯降低,這是由于探測器的速度無法滿足強光下的快速探測,損失了部分光子導(dǎo)致的.值得注意的是,這里交流偏置下的探測效率較直流偏置情況下有一定的提升.在光子強度為200 MHz 時,直流偏置下最高探測效率為5%,交流偏置下最高探測效率為7.5%,可以推算出,交流偏置下器件計數(shù)率可達(dá)到直流偏置下的約1.5 倍.這說明交流偏置方式對器件的恢復(fù)過程產(chǎn)生了改善效果,與利用負(fù)反饋實現(xiàn)快速探測的結(jié)果具有一定的一致性[17].

由于器件工作在交流模式下,并非自由運行工作在所有時刻,對于系統(tǒng)的暗計數(shù)會起到明顯的抑制效果.從圖6(b)可以看出,當(dāng)偏置電流低于0.9ISW時,交流偏置下的暗計數(shù)明顯低于直流偏置下的暗計數(shù),約為其1/4;當(dāng)偏置電流大于0.9ISW時,出現(xiàn)大量本征暗計數(shù),交流偏置下的本征暗計數(shù)仍得到明顯的抑制.需要注意的是,圖6(b)中在0.45ISW處,暗計數(shù)曲線有一拐點.這是由于設(shè)備的局限,本文離散地調(diào)節(jié)兩路信號之間的相位差,導(dǎo)致相位無法精確對齊,對噪聲的抑制存在一極限.這使得在低偏置下,部分響應(yīng)淹沒在噪聲中,沒有被識別,存在漏計數(shù),導(dǎo)致低偏置下暗計數(shù)值較正常偏低,曲線出現(xiàn)拐點.

圖6 (a) 直流偏置以及100 MHz 正弦偏置下,不同入射光強下的系統(tǒng)探測效率隨歸一化偏置電流變化曲線,圖例為偏置方式-入射光子強度;(b) 直流偏置和100 MHz 正弦偏置下的暗計數(shù)曲線Fig.6.(a) SDE curves as a function of normalized bias function in AC-bias mode and DC-bias mode under different photon intensity.In the legend is bias mode-photon intensity;(b) dark count rate (DCR) curves in AC-Bias mode and DC-Bias mode.

5 結(jié)論

本文設(shè)計了在交流偏置下利用信號差分實現(xiàn)降噪的自差分讀出系統(tǒng),使用專門設(shè)計并制備的2-pixel SNSPD 器件進行測試,對其在直流偏置和交流偏置下的性能分別進行表征.測試結(jié)果顯示,在交流偏置下,2-pixel SNSPD 器件具有更高的計數(shù)率,可達(dá)到直流偏置下約1.5 倍;同時具有更低的暗計數(shù),僅為直流偏置下的約1/4.本文以較低的系統(tǒng)復(fù)雜度,有效地為器件提供交流偏置,并實現(xiàn)高信噪比的響應(yīng)脈沖輸出.這為交流偏置SNSPD提供了一種思路,并對其應(yīng)用具有參考價值.