自差分交流偏置超導納米線單光子探測器*

馬璐瑤 張興雨 舒志運 肖游 張天柱 李浩? 尤立星

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

2) (中國科學院大學,北京 100039)

超導納米線單光子探測器(SNSPD)因其優異的綜合性能,在量子信息、激光雷達等方面有廣泛的應用.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點.而在衛星激光測距、單光子激光雷達等光信號到達時間有規律的應用場景中,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,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,該系統包含兩根并行排布納米線構成的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,實現光子響應信號的讀出.基于該方法測得,響應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降低至直流偏置下的約1/4,計數率達到直流偏置下的約1.5 倍.本文為交流偏置SNSPD 測試提供了一種思路,為其應用提供參考數據.

1 引言

超導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[2]、低時間抖動[3?5]等優異性能,是目前主流的單光子探測器之一,被廣泛應用于量子密鑰分發[6,7]、單光子成像[8,9]、高精度激光測距[10,11]等前沿領域.

一般地,SNSPD 在直流偏置下工作[12],當光子入射并被納米線吸收時,納米線失超產生有阻區,從而在其兩端產生一個可測量的輸出電壓脈沖,一段時間后,憑借自身動態電感的作用,器件恢復至超導狀態[13].恢復時間τ主要由動態電感LK決定,這種運行模式被稱為自由運行模式.在該模式下,當兩個光子到達的時間間隔小于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、降低暗計數等潛在優勢.其中,交流偏置是實現門控模式的一種方案.但在交流偏置下,由于信噪比較低,響應信號往往需要經過后處理方可讀出.國內外眾多研究小組曾對此展開相關研究,探索交流偏置下的信號讀出方案.南京大學的張臘寶等[15]使用重復頻率為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閉和運行狀態,實現自復位、防閂鎖的功能,其重復頻率低,無需對信號進行后處理;信息工程大學的劉帆等[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,但偏置信號的重復頻率仍處于較低水平,最高為8 MHz;馬薩諸塞大學阿默斯特分校的Ravindran 等[17]使用負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,實現器件在百兆赫茲水平下的交流偏置和讀出,該方法優化了器件的計數率、暗計數和時間抖動,但涉及低溫下的信號處理,實現難度高;卡爾斯魯厄理工學院的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,調相并合路后得到響應信號.針對這一方案,本文設計并制備了2-pixel SNSPD 器件,該器件包含兩根參數一致的并行納米線,具有相似的物理和電學特性,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.器件設計時的目標波長為1550 nm,納米線的寬度和周期為90 nm 和180 nm.圖1(b)為2-pixel SNSPD 結構示意圖,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.依據上述設計,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離子刻蝕法制備納米線,之后通過紫外曝光和反應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 結構示意圖;(c) 2-pixel SNSPD SEM 照片Fig.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器件的一端經打線與銅座地端相連,另一端經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100 kΩ電阻與Bias-Tee 的 DC 端相連,偏置電流經RF &DC 端流入器件;器件上產生的響應信號從RF &DC 端流入偏置樹,再經RF 端流出到放大器中.信號經放大可直接輸入示波器進行觀察,或輸入計數器計數.

然后,對2-pixel SNSPD 進行光學性能表征.本文使用可由外部觸發信號控制光脈沖頻率的脈沖激光光源(科大國盾量子技術股份有限公司,1550 nmps 脈沖激光器).在光源的觸發信號輸入端接入頻率為100 MHz、幅度為0—1.1 V、相位連續可調的正弦觸發信號,將產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,調節衰減器的衰減值,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進行調節,使計數器上顯示的計數最大后,即可進行測試.

經測試得,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,兩條超導納米線在常溫電阻、超導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.這是由于未優化器件且未在其上加光學結構,未來針對實際應用需要,可制備高效率器件應用于自差分讀出的交流偏置系統[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,自差分系統示意圖如圖3 所示.本文使用一臺信號發生器 (Tektronics:AFG3252C)產生兩路幅度、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光源和分路器 (Mini-Circuits:ZFSC-2-372-S+)上,經分路器得到兩路相同的交流偏置信號,兩路信號經過兩根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,連接可調長度的同軸電纜,通過調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,然后將兩路信號經合路器合并,噪聲相互抵消,實現自差分降噪.

圖3 光電同步自差分測試系統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放大器后的輸出信號.該兩路信號差分提取后得到的響應信號如圖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信號的高效讀取.

圖4 (a) 自差分降噪前的響應波形;(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,可以產生多光子事件:nanowire-1 和nanowire-2 同時響應光子并產生脈沖,經移相合路后,噪聲相消,光子響應信號相疊加,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構還可進行光子數分辨的探測.

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隨交流偏置和光脈沖之間的相位差變化關系.具體方法上,固定輸入光強、光偏振角度和偏置電流,調節光脈沖與正弦偏置電流之間的相位差,然后測試SNSPD 光響應數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,光子計數率由小變大再變小.當相位差為–π 和π 時光子計數率約為500,與此時暗計數相當,當相位差為0 時,光子計數率最大.說明通過調節光脈沖與偏置信號之間的相位差,光子計數率隨之呈現周期性變化,且在相位差一定的情況下,光子計數率保持恒定.

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性能表征.本文使用與直流偏置下相同的可外部觸發的脈沖光源,其觸發信號的頻率與器件的偏置電流頻率相同、幅度為0—1.1 V、相位連續可調.使用與直流偏置下相同的方式對光脈沖進行處理后,再調節光脈沖的相位,使光脈沖與偏置信號峰值同步,使計數再次達到最大,即可開始測試.

本文在光子強度為1—200 MHz 的范圍內,對器件在直流和交流偏置下的效率和暗計數分別進行了測試,整理數據并繪制曲線如圖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率可達到直流偏置下的約1.5 倍.這說明交流偏置方式對器件的恢復過程產生了改善效果,與利用負反饋實現快速探測的結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,對于系統的暗計數會起到明顯的抑制效果.從圖6(b)可以看出,當偏置電流低于0.9ISW時,交流偏置下的暗計數明顯低于直流偏置下的暗計數,約為其1/4;當偏置電流大于0.9ISW時,出現大量本征暗計數,交流偏置下的本征暗計數仍得到明顯的抑制.需要注意的是,圖6(b)中在0.45ISW處,暗計數曲線有一拐點.這是由于設備的局限,本文離散地調節兩路信號之間的相位差,導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,部分響應淹沒在噪聲中,沒有被識別,存在漏計數,導致低偏置下暗計數值較正常偏低,曲線出現拐點.

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 結論

本文設計了在交流偏置下利用信號差分實現降噪的自差分讀出系統,使用專門設計并制備的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.測試結果顯示,在交流偏置下,2-pixel SNSPD 器件具有更高的計數率,可達到直流偏置下約1.5 倍;同時具有更低的暗計數,僅為直流偏置下的約1/4.本文以較低的系統復雜度,有效地為器件提供交流偏置,并實現高信噪比的響應脈沖輸出.這為交流偏置SNSPD提供了一種思路,并對其應用具有參考價值.