强吸收结构高速超导纳米线单光子探测器

本文研究具有强吸收结构的高速超导纳米线单光子探测器(SNSPD)的设计与仿真.该SNSPD基于高折射率入射介质和空气腔结构,可以提高超导纳米线的光子吸收率.与现有超导单光子探测器结构相比,在相同材料和厚度的超导超薄膜制成纳米线的条件下,用更低的占空比就可以实现接近于100%的吸收率,这使得电子束曝光步骤的难度大大降低.而SOI衬底的采用则可以同时保证超导薄膜的高质量生长,不影响探测器的本征量子效率.另外,在保证同样大的有效探测面积的条件下,由于需要的纳米线的总长度显著减小,制备过程中发生缺陷的概率显著降低,探测器的最高计数率可以得到提升.     

超导纳米线单光子探测器光子响应机制研究进展

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)已在量子信息、深空激光通信、激光雷达等众多领域发挥了重要的作用.虽然SNSPD经过二十年的研究,但其光子响应本征机制还有待完善.深入理解与厘清其光子响应过程是研发高性能探测器的前提与关键.现在较为成熟的超导纳米线单光子探测器响应理论有热点模型和涡旋模型.但是这两种理论都存在一定的缺陷...     

自差分交流偏置超导纳米线单光子探测器

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)因其优异的综合性能,在量子信息、激光雷达等方面有广泛的应用.通常, SNSPD工作在直流偏置下,在时域上具有自由运行探测的优点.而在卫星激光测距、单光子激光雷达等光信号到达时间有规律的应用场景中,使用交流偏置有望提升器件运行速率、有效抑制背景暗计数,却存在信号读出困难的棘手问题.本文报道了自差分读出的交流偏置SNSPD系统,该系统包含两根并行排布纳米线构成的2-pixel SNSPD器件.给两根纳米线加载相同的100 MHz交流偏置信号,并对两路输出信号差分使噪声信号相抵消,实现光子响应信号的读出.基于该方法测得,响应信号的信噪比相比差分之前提升10倍,在交流偏置下器件的暗计数降低至直流偏置下的约1/4,计数率达到直流偏置下的约1.5倍.本文为交流偏置SNSPD测试提供了一种思路,为其应用提供参考数据.     

超导纳米线单光子探测器读出电路研究进展

读出电路既是超导纳米线单光子探测器的重要支撑技术,也是扩展其应用场景的关键。概述了常温和低温读出电路的研究进展,简述了其基本结构与工作原理,并从扩展性、热负载、集成度等角度对比分析了各方案的优缺点。结果表明,低温读出电路将是后续研究的重点。     

高效、偏振不敏感超导纳米线单光子探测器

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)因其优异的综合性能被广泛应用于量子通信等众多领域,然而其独特的线性结构会导致SNSPD的探测效率对入射光的偏振态具有依赖性,从而限制了SNSPD在非常规光纤链路或其他非相干光探测环境中的应用.本文基于传统的回形纳米线结构设计制备了一种新型偏振不敏感SNSPD,在纳米线周围引入一层高折...     

基于超导纳米线单光子探测器深空激光通信模型及误码率研究

高速深空通信是深空探测的关键技术之一,具备单光子灵敏度的激光通信系统将大大提高现有的深空通信速度.然而,单光子条件下的激光通信不仅需要考虑传输环境的影响,还需要考虑实际单光子探测器性能和光子数量子态的分布.本文在不考虑大气湍流影响的情况下,以光电探测模型为基础,引入超导纳米线单光子探测器(SNSPD)系统的探测效率和暗计数,建立了反应系统差错性能的数学模型,提出了系统误码率的计算公式.先对公式中的光强和激光脉冲重复频率对误码率的影响进行仿真,再通过实验结果验证仿真模型.结果表明,光强对误码率的影响最明显,随着光强从0.01光子/脉冲到1000光子/脉冲的增加,误码率从10~(-1)到10~(-7)量级明显下降;激光脉冲重复频率对误码率的影响受到不同光强的制约,但都随着脉冲重复频率的增加呈下降趋势.与此同时,当增加光强或者提高速度时,误码率高于仿真结果,约在10~(-4)量级,其原因可能是实际通信中调制光信号的消光比不足和光纤引入背景噪声提高了系统暗计数.以上模型和实验结果为进一步开展基于SNSPD的月球-地球、火星-地球等高速深空激光通信奠定了基础.     

超导纳米线单光子探测器动态电感研究

单光子探测是一种量子极限光信号的检测技术,超导纳米线单光子探测器(Superconducting NanowireSingle-Photon Detector,SNSPD)作为一种新型的单光子探测技术,在量子通信等众多领域有着广阔的应用前景。SNSPD的动态电感直接决定了SNSPD的工作速度。文中对SNSPD动态电感的特性和测试方法做了详细的研究,成功实现了低温下SNSPD动态电感的测试,并对结果进行了分析处理和研究。利用BCS理论对动态电感随温度、偏置电流变化的特性进行分析计算,并与实际测量结果对比讨论,为未来如何降低SNSPD动态电感、提高其性能的研究工作提供了参考依据。     

具有光学结构的超导纳米线吸收效率的仿真

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)的系统探测效率由纳米线与光子的耦合效率、纳米线的吸收效率以及纳米线吸收光子后能产生电压脉冲的本征量子效率决定。设计了一种带有防反射层、谐振腔、布拉格反射镜等结构的SNSPD。利用COMSOL软件的射频模块对这种新型结构的SNSPD进行了仿真,结果表明具有光学结构的SNSPD将有助于提高系统探测效率。     

超导纳米线单光子探测器件的制备

超导纳米线单光子探测器件(SNSPD)是超导单光子探测系统的核心器件。文中介绍了成功制备的基于5nm厚的NbN超导超薄薄膜的SNSPD器件。器件核心结构为150nm宽的纳米曲折线结构,纳米线条占空比为75%,面积为20μm×20μm。超导纳米线是利用电子束曝光(EBL)技术和反应离子刻蚀(RIE)等工艺技术制备的。所制备的SNSPD样品,在温度3.5K下的临界电流约12.9μA;在1310nm波长光波辐照,12.5μA的偏置电流下,探测效率约0.016%。     

超导纳米线单光子探测器

利用磁控溅射、电子束光刻和反应离子刻蚀等微加工技术,开展了超导纳米线单光子探测器(SNSPD)的研究.通过对SNSPD的设计和制备工艺参数的优化,成功制备出了高质量的SNSPD.单光子检测实验表明,制备的SNSPD对660 nm波长的光信号,系统检测效率可达30%,对1550 nm波长光信号,最大系统检测效率为4.2%.在平均暗计数小于10 c/s的情况下,系统检测效率大于20%(660 nm)和3%(1550 nm). 关键词： 单光子 氮化铌 纳米线 探测器     

超导纳米线单光子探测系统的时间抖动

超导纳米线单光子探测(SNSPD)器件具有较低的时间抖动特性,可以实现低误码率的QKD和高精度的激光测距。文中对超导纳米线单光子探测系统的时间抖动进行了详细的分析和测量,分析了SNSPD系统各部分对系统抖动的贡献。使用时间相关的单光子计数技术(TCSPC)和示波器的抖动分析软件,分别测量了SNSPD系统的时间抖动,比较了两种方法的优劣。在两种测量方法下,系统总的时间抖动分别约为42ps和31ps,计算后得到单光子探测器件的抖动约为25ps。发现放大器的性能对系统时间抖动影响明显。通过使用不同放大器比较分析了测量得到的时间抖动。     

面向窄线宽超导纳米线单光子探测器的电子束曝光技术

超导纳米线单光子探测器是新型超导电子器件,因其具有高探测效率、低暗计数及低时间抖动等优势,在量子信息、激光雷达等方面已得到广泛的应用.目前主流超导纳米线单光子探测器主要工作在1.5μm以下的可见光和近红外波段.中红外波长的红外探测技术在基础科学、医学、日常生活以及军事等广泛领域发挥着重要作用,中红外单光子探测器可以使得中红外波段探测技术进入量子极限灵敏度.根据超导纳米线单光子探测器探测机理,超窄线宽的纳米线条可以提升超导纳米线单光子探测器在中红外波长的灵敏度.电子束曝光技术是目前实现超导纳米线单光子探测器纳米线线条加工的主流技术,电子束抗蚀剂种类繁多,面向超窄线宽超导纳米线单光子探测器器件的制备需求,对两款抗蚀剂进行性能测试表征,和窄纳米线制备尝试.根据负性电子束抗蚀剂MaN-2401在制备窄线宽时的显著优点,优化工艺,利用其成功制备出50 nm线宽超导纳米线单光子探测器并成功实现了2000 nm的单光子响应.     

超导转变边沿单光子探测器原理与研究进展

量子信息技术近十多年来的快速发展对单光子探测器的性能提出了更高的要求,高性能单光子探测器也因此受到了更多的关注.与传统的单光子探测器相比,超导转变边沿(TES)单光子探测器在探测效率、能量分辨、光子数分辨和暗计数等方面具有突出优势.目前,超导TES单光子探测器已经被成功地应用在量子光学实验和量子密钥分配系统中,未来在量子信息技术等研究领域具有更广泛的应用.本文从超导TES单光子探测器的工作原理、制备流程、测试系统、主要性能指标以及研究现状和进展等方面对该探测器技术进行简要综述.     

面向机载平台的小型超导单光子探测系统

面对宽幅地形测绘和空基大气测量等应用的需求,迫切需要发展能够适应机载平台的低功耗的小型化单光子探测系统.超导纳米线单光子探测器(SNSPD)因性能优异,已被应用到量子信息、深空通信和远程激光雷达等领域.然而,常规SNSPD所需低温系统的体积和重量均较大,不易于应用到机载平台.截至目前,国际上还未出现应用于机载平台的SNSPD的相关报道.本文设计并制备了工作温度为4.2 K的SNSPD.超导探测器芯片是光敏面积为60 μm×60 μm的四通道光子数可分辨器件,通过光束压缩系统耦合到直径200 μm的光纤,在温度为4.2 K时量子效率大于50%@1064 nm.最后,测试了单个通道的时间特性,在不同光子数响应的情况下得到了不同的时间抖动,其中四光子响应时的时间抖动最小,半高宽为110 ps.该工作不仅可支撑机载应用,而且对于推动发展通用的小型化SNSPD系统及其应用具有积极意义.     

超导纳米线多光子响应特性研究

研究了超导单光子探测器器件超导纳米线的多光子响应特性.在温度3.5 K实验测量了纳米线器件直流特性和比子响应概率对多光子脉冲信号的响应特性.实验表明,器件超导转变电流随光辐照强度的增加而减小;在多光子脉冲信号下,器件响应的光子数随偏置电流减小而增加.同时基于量子光学和器件Hotspot理论半定量分析了该多光子响应的机制.     

一种基于单磁通量子的超导纳米线单光子探测器阵列的读出电路

超导纳米线单光子探测(Superconducting Nanowire Single Photon Detector, SNSPD)阵列可以实现单光子成像或高速单光子探测,如何有效对SNSPD阵列进行信号读出是实现SNSPD阵列的关键技术之一.本工作设计了一种基于超导单磁通量子(Single Flux Quantum, SFQ)的SNSPD阵列读出电路.该读出电路能够实现对阵列中SNSPD的地址分辨.实验采用的核心编码电路利用4位二进制码对包含8个SNSPD的阵列进行编码,使用了基于SFQ的异或逻辑单元、D触发器、分路器和约瑟夫森传输线等标准单元,总计使用191个约瑟夫森结,采用两级流水线设计,仿真中最高可在19.4 GHz的时钟频率下工作,功耗为42.1μW.在液氦环境下完成了编码电路的功能测试,验证了编码功能的正确性.     

超导单光子探测技术

单光子探测是弱光测量技术的核心,在量子信息、物理、生物、化学和天文学领域具有关键性的作用。传统以光电倍增管或雪崩二极管为基础的单光子探测器的低灵敏度和高暗计数限制了信噪比的提高,低计数率限制了测量速度和动态范围。本文综述了以超导材料作为光敏感器件的单光子探测技术,其量子效率、暗计数率和计数率远高于传统的单光子探测器,它们的出现势必给单光子测量相关学科带来巨大影响。     

超导单光子探测技术

单光子探测是弱光测量技术的核心,在量子信息、物理、生物、化学和天文学领域具有关键性的作用。传统以光电倍增管或雪崩二极管为基础的单光子探测器的低灵敏度和高暗计数限制了信噪比的提高,低计数率限制了测量速度和动态范围。本文综述了以超导材料作为光敏感器件的单光子探测技术,其量子效率、暗计数率和计数率远高于传统的单光子探测器,它们的出现势必给单光子测量相关学科带来巨大影响。     

H 离子辐照对 NbN 薄膜的微观结构和超导性能影响

氮化铌(NbN) 低温超导薄膜是用于制作超导器件的典型材料. 基于 NbN 超导薄膜的超导纳米线单光子探测器(SNSPD) 在量子通信、 暗物质探测、 激光测距等领域都有着广泛应用. 本工作借助中国科学院兰州近代物理所320 kV 低能重离子综合研究平台采用300-keV H1 + 离子对7 nm 厚度的低温超导材料 NbN 超薄膜进行了离子辐照, 得到了辐照前后超导转变温度Tc 及超导能隙 Δ(0) 、 费米面附近电子态密度 N0 等其他材料参数的变化, 为借助离子辐照手段改善 NbN SNSPD 性能提供了实验参考.     

超导单光子探测器件直流特性研究

超导单光子探测技术是基于超薄超导薄膜的非平衡态热电子效应的一种新型的单光子探测方法。超导单光子探测器(SNSPD)的计数率可达到GHz,时间抖动小于100ps,因而在未来量子通信系统中有着广阔的应用前景。介绍了NbN超导单光子探测器件的工作原理和器件超导性能测试系统;测试了超导单光子探测器件的电阻-温度、电流-电压等特性。并对测试结果进行了分析和讨论。