超導納米線單光子探測器暗記數的來源與抑制

劉禹彤　李勃

摘 要：超導納米線單光子探測器作為未來深空激光通信系統的核心設備之一，其暗記數率對通信誤碼率有十分重要的影響。本文論述了超導納米線單光子探測器暗記數的來源于抑制方法，通過低溫制冷與片上濾光技術、優化納米線結構與選取合適偏置電流的方式分別降低背景與本征暗記數；對現有探測系統進行測試，得到了最優工作狀態下的偏置電流為20.5μA，其探測效率為54%，暗記數率為195Hz。

關鍵詞：深空光通信 超導納米線單光子探測器 暗計數率 偏置電流

中圖分類號：O57 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）09（b）-0010-04

傳統的深空微波通信以X、S、Ka波段作為載波，并通過星載終端的大口徑、高功率天線發射和地面大口徑接收等方式完成深空數據傳輸任務[1]。但隨著人類對宇宙深處探索步伐的加快，需要傳回地面站的科研數據體量也不斷增加。此時，微波通信遇到了提速瓶頸。而激光通信技術憑借其高傳輸速率、強保密性、抗電磁干擾、低功耗、低質量等優點，為深空高速通信提供了可能性[2]。2013年，美國宇航局NASA成功完成了月地激光通信演示驗證試驗，在40萬km的鏈路距離上，實現了最高622Mbps的下行傳輸速率，進一步證明了激光通信技術應用在深空數傳系統中的可行性[3]。此外，美國宇航局NASA和歐洲南方天文臺（ESA）還公布了未來深空通信網的建設藍圖，均計劃在火星探測器、木星探測器上應用光通信技術，可見深空激光通信系統具有巨大應用潛力[4]。

需要注意的是，從星載終端發射的光信號會經過巨大的鏈路損耗和大氣衰減，到達地面接收端的微弱信號往往僅剩幾個光子，這為高靈敏度探測系統提出新的挑戰。隨著單光子探測技術的發展，一系列單光子探測器應運而生。其中超導納米線單光子探測器（Superconducting Nanowire Single Photon Detector，SNSPD）以其優越的性能脫穎而出，成為深空激光通信系統地面高靈敏度探測技術核心設備之一。SNSPD系統依靠超導臨界溫度下納米線的熱點（hotspot）效應，實現對單個光子的高靈敏度檢測。它可在近紅外波段實現較高的量子效率（～90%），同時它還具有皮秒量級的時間抖動、納秒量級甚至更短的死時間、數百赫茲的暗記數率等優點[5]。

在通信系統中，除了對通信速率有很高要求外，誤碼率也是衡量通信性能的重要指標。其中，探測器性能對整個系統誤碼率的影響不容忽視。本文分析了超導納米線單光子探測器暗記數的來源，探討了暗記數的抑制方法，最后對現有SNSPD探測系統的暗記數進行了測量。

1 SNSPD暗記數來源分析與抑制

1.1 背景暗記數及抑制

系統背景熱輻射，光纖引入的雜散光會導致暗記數的出現[6]。任何物體都會存在黑體輻射現象。SNSPD通過光纖將空間光耦合到納米線上，此時不可避免地引入了黑體輻射和雜散光。通過穩定的低溫制冷，黑體輻射產生的光子可以得到有效抑制，如Shibata利用低溫下的光纖濾光器大幅降低了系統的暗記數，但其帶來的衰減卻降低了系統的探測效率[7]。針對此為問題，Xiaoyan Yang等人利用集成到納米線上的多層片上濾光片很好地降低了黑體輻射和雜散光，同時還保證了感興趣波段的高探測效率，圖1為實驗結果[8]。

圖1（a）中三角號表示背景暗記數，星號表示本征暗記數，黑色數據為采用片上濾光結構的SNSPD測試結果，深灰色數據代表普通結構SNSPD的測試結果。可見，隨著偏置電流的增加，系統探測效率（System Detection Efficiency， SDE）的增長幅度不斷加大，同時兩種暗記數率（Dark Count Rate， DCR）也隨之增加；采用濾光片后，背景暗記數增加幅度減小且趨于穩定。圖1（b）中，當探測效率為55%時，采用片上濾光片的SNSPD暗記數僅有0.4Hz，而普通結構SNSPD的暗記數卻達到了1000Hz。可見片上濾光結構對暗記數的抑制效果十分明顯。

1.2 本征暗記數及抑制

對于SNSPD本征暗記數的成因學術界還沒有明確定論，但此方面的研究工作一直在進行中。目前，對于本征暗記數的解釋主要有兩點：（1）邊界單磁通穿越；（2）磁通-反磁通對拆散[9]。我們以前者為例做主要闡述。

當納米線處于超導狀態下時，納米線邊界附近會自發產生自由磁通（vortex）。如圖2所示，在外部加載偏置電流后，自由磁通在洛倫茲力作用下有一定概率突破勢壘，進而從產生的邊界穿越到另一面邊界，這個過程中伴隨著準粒子的產生與積累，當被激發出的準粒子云集聚半徑超過一定值后，超導狀態被破壞，從而形成正常阻區并阻斷電流傳導，進而在外部電路上形成電壓脈沖，導致暗記數。L.N. Bulaevskii等人對單磁通穿越的物理機制進行了探討分析，得到了暗計數率R的數學模型如下[10]。

（1）

式中，T為納米線工作溫度，R為納米線阻值，Φ0為磁通量子，ν為與偏置電流Ibias、溫度T和磁通能量有關的參數、ξ為相干長度，ω和L分別為納米線的寬度和長度。可見，SNSPD的暗記數率不僅與納米線本身的尺寸和材料有關，還與偏置電流和工作溫度有關。文章用模型對3種不同尺寸的納米線暗記數率的測量結果進行了擬合，如圖3所示。其中，1號樣品尺寸最小，3號最大。可見，不同尺寸的納米線暗計數率差別明顯。且隨著偏置電流的增加，暗記數急劇上升。

磁通-反磁通對拆散引起暗記數的過程與上述過程類似。磁通-反磁通的磁場方向相反，當納米線處于偏置狀態時，部分磁通-反磁通對受洛倫茲力的作用會被拆散，形成兩個單磁通，接著自由磁通各自向納米線邊界移動，破壞超導狀態，形成暗記數。

雖然暗記數形成原因還未得到完美的解釋，但是可以通過一些方法來抑制暗記數的產生。對納米線的結構進行優化設計，如選取合適的寬度、長度、厚度組合，研發性能更好的超導材料，或者增大SNSPD急彎曲率半徑。在使用時通常采用更好的制冷設備，如采用商用G-M制冷機使納米線工作在溫度盡量低且穩定的狀態。此外，降低偏置電流也能起到減少暗記數的效果，但是這會導致SNSPD探測效率的降低，因此在實際應用中需要根據應用要求進行充分的衡量和舍取。

2 SNSPD系統暗記數實測

如圖4所示，整個SNSPD系統分為SNSPD探測單元、電流偏置系統、壓縮機與真空泵、制冷機4個部分。其中SNSPD探測器安裝在內部鍍金的密封罐內，電流偏置系統可以調節系統偏置電流，壓縮機與真空泵負責將密封罐內部空氣抽出，使探測器處于真空環境，制冷機通過氦氣循環制冷保證探測器2.9K的工作溫度。

我們采用統計平均的方式測量系統暗記數與探測效率。通過圖4中的信號發生器調制單光子源脈沖激光器，使其輸出重頻1MHz，功率1MW的光信號。然后光信號經單模光纖傳輸與多次衰減器衰減，使最終耦合到探測器內的光子數為1000000個，通過光子計數系統的檢測得到有效探測次數。

首先，讓光信號輸入探測器內，調節偏置電流大小，測出系統探測效率與偏置電流的關系，如圖5所示。可見，隨著偏置電流的增加，探測效率逐漸增大直至趨于平緩。其中，偏置電流為17.5μA時，探測效率僅有32.5%左右；增大電流，探測效率隨之線性增加，當偏置電流分別為20μA、20.5μA、21μA時，探測效率達到基本維持在54%；繼續調節使偏置電流接近臨界電流21.7μA，系統探測效率達到最大的55%。圖6是切斷光信號輸入時得到的暗記數率與偏置電流關系曲線。可知，偏置電流在17.5～19.5μA范圍內時，暗記數增加幅度不大，而當偏置電流超過20μA后，暗記數大幅增多，最大可到達243Hz。綜上，在實際的光通信實驗過程中，為了保證高探測效率和低暗記數，可將偏置電流設為20μA，以達到最好的探測效果。

3 結語

本文較為詳細地論述了超導納米線單光子探測器暗記數的來源與抑制方法。通過低溫制冷與片上濾光技術可使背景暗記數率降低到0.4Hz，同時可保證較高的系統探測效率；而本證暗記數則可通過納米線結構優化設計、新型材料選取和選取合適工作溫度與偏置電流的方式得到抑制。最后，對現有的SNSPD系統的SDE與DCR進行了測試。測量結果表明，SDE與DCR均隨著偏置電流的增大而增大，不同的是SDE最終趨于平緩，而DCR有繼續大幅增加的趨勢。為了保證深空光通信對微弱信號的高效探測和低誤碼率，可將系統偏置電流設置為20.5μA。

參考文獻

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[10] LN. Bulaevskii， MJ Graf， CD Batista et al. Vortex-induced dissipation in narrow current-biased thin-film superconducting strips[J].Physical Review B， 2011，83（14）：4400-4408.