Сверхпроводящий однофотонный детектор на основе

Сверхпроводящий однофотонный детектор...
Ю.П. КОРНЕЕВА, Н.Н. МАНОВА, И.Н. ФЛОРЯ, А.А. КОРНЕЕВ, Г.Н. ГОЛЬЦМАН
Московский педагогический государственный университет
СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ОДНОФОТОННЫЙ ДЕТЕКТОР
НА ОСНОВЕ УЛЬТРАТОНКОЙ ПЛЕНКИ NBN
В данной статье мы представляем две топологии сверхпроводникового однофотонного детектора (SSPD) на основе пленки NbN толщиной 3–4 нм, разработанные с целью увеличения чувствительности SSPD в ИК диапазоне. Первый тип детектора – детектор на основе узких (шириной 50 нм) сверхпроводящих полосок NbN, соединенных параллельно. Второй тип – детектор, интегрированный в оптический λ/4 резонатор, оптимизированный на телекоммуникационную длину волны 1.55 мкм.
В настоящее время резко возрос интерес к детекторам ИК-диапазона, способным регистрировать одиночные кванты света и обладающим высокой чувствительностью. Для многих научных
и технических задач, включая телекоммуникационные и оптические системы, квантовую криптографию и исследования однофотонных источников, необходимы быстрые и обладающие высокой
чувствительностью детекторы.
В видимом и ближнем ИК-диапазоне волн коммерчески доступными однофотонными детекторами являются фотоумножители (ФЭУ) и лавинные фотодиоды (ЛФД) на Si и InGaAs. Квантовая эффективность (чувствительность) лучших Si ЛФД [1] составляет 70 % на длине волны
630 нм. Однако чувствительность этих детекторов ограничивается шириной запрещенной зоны Si
и резко падает на длинах волн больше 1,1 мкм. Так, на телекоммуникационной длине волны
1,3 мкм она составляет 0,01 %. ЛФД на основе InGaAs [2, 3] более чувствительны в среднем
ИК-диапазоне. Квантовая эффективность этих приборов на длине волны 1,3 мкм ~20 %, но при
этом они уступают в скорости счета (~1 МГц) и обладают довольно высоким уровнем ложных
срабатываний 104 с–1.
Альтернативой полупроводниковым детекторам стали сверхпроводниковые детекторы. Они
привлекательны более высокой чувствительностью в ближнем и среднем ИК-диапазоне, которая
обеспечивается меньшей величиной энергетической щели по сравнению с полупроводниками, и
низким уровнем шумов, который достигается за счет криогенных температур. Довольно высокой
квантовой эффективностью ~90 % обладают вольфрамовые детекторы на сверхпроводящих переходах (TES) [4]. Но эти приборы легко насыщаются комнатным фоном и медленны: имеют максимальную скорость счета порядка 104 Гц. Кроме того, для практического использования TES требуется охлаждение до 100 мК и сложная схема стабилизации температуры, что сильно увеличивает
цену криогенного оборудования.
В 2001 году в [5] был предложен сверхпроводниковый однофотонный детектор (SSPD) в виде меандра площадью 1010 мкм2 на основе сверхпроводящей полоски длиной 500 мкм и шириной 120 нм из ультратонкой пленки NbN толщиной 3,5 нм. Квантовая эффективность лучших детекторов такой топологии достигает 30 % на длине волны 1,3 мкм при температуре 2 К и демонстрирует однофотонную чувствительность до 5,6 мкм [6], низкий уровень темнового счета и временное разрешение (джиттер) 18 пс [7]. Минимальная измеренная скорость темнового счета
10–4 с [8], т.е. один темновой отсчет за несколько часов накопления. Но, несмотря на то, что на
длине волны 1,55 мкм сверхпроводниковый детектор в виде меандра уже превосходит лавинный
фотодиод на InGaAs, SSPD имеет потенциал для дальнейшего улучшения его характеристик. Вопервых, квантовая эффективность детектора экспоненциально падает с ростом длины волны, что
ограничивает продвижение в средний ИК-диапазон. Во-вторых, квантовая эффективность ограничена коэффициентом поглощения пленки, который не превышает 30 %. В данной работе мы представляем две усовершенствованные топологии сверхпроводникового однофотонного детектора:
первая – детектор для среднего ИК-диапазона на основе узких параллельных полосок, и вторая –
детектор, интегрированный в λ/4 оптический резонатор.
Детектор для среднего ИК-диапазона на основе узких параллельных полосок. Принцип
действия SSPD в виде меандра основан на возникновении резистивной области в небольшой части
сверхпроводящей полоски, находящейся при температуре существенно ниже критической, но несущей транспортный ток, близкий к критическому [5]. Квант света, поглощенный полоской, приводит к разрушению куперовских пар и образованию лавины из квазичастиц. В области поглощения сверхпроводимость на короткое время подавляется и образуется нормальный домен – так
называемое «горячее пятно». При образовании «горячего пятна» сверхпроводящий ток перераспределяется по сечению полоски, и на краях полоски плотность тока j начинает превышать крити-
Сверхпроводящий однофотонный детектор...
ческую плотность тока jc. В результате все сечение полоски становится резистивным, и на ее концах появляется напряжение (рис. 1,а). Однако при продвижении в средний ИК-диапазон (> 2 мкм)
уменьшается энергия фотона, а следовательно, и размер «горячего пятна», поэтому для повышения квантовой эффективности в данном диапазоне требуется уменьшить ширину полоски со 120
нм до 50–60 нм. Это обеспечит достижение такой же высокой плотности тока вокруг «горячего
пятна», как и в случае более коротковолновых фотонов и полосок шириной 120 нм (рис. 1,б).
Рис. 1. Принцип действия сверхпроводникового однофотонного детектора:
а – возникновение горячего пятна после поглощения фотона полоской шириной 100 нм;
б – возникновение горячего пятна после поглощения фотона полоской шириной 50 нм
Однако уменьшение ширины полоски приводит к уменьшению величины критического тока
и уменьшению амплитуды импульса напряжения, возникающего на детекторе при поглощении
фотона, делая его неразличимым на уровне тепловых шумов. Поэтому мы вместо одной узкой полоски соединили несколько полосок параллельно. Принцип действия детектора на основе узких
параллельных полосок основан на каскадном переключении полосок. Одна полоска, поглотившая
фотон, становится резистивной, что приводит к перераспределению тока между остальными полосками, после чего ток в этих полосках превышает критический, и они тоже становятся резистивными [10]. В результате такого каскадного переключения все полоски переходят в резистивное состояние, что сопровождается импульсом напряжения на детекторе.
На рис. 2,а представлен микроснимок SSPD на основе узких параллельных полосок, полученный с помощью растрового электронного микроскопа.
Технология изготовления сверхпроводникового однофотонного детектора в виде параллельных полосок аналогична описанной в [9]. Сверхпроводящая пленка NbN толщиной 3–4 нм наносится методом реактивного магнетронного распыления на постоянном токе в атмосфере аргона и
азота на сапфировую подложку, предварительно нагретую до 850 С. Из этой пленки методом
прямой электронной литографии и плазмо-химического травления формируются сверхпроводящие параллельные полоски шириной 50–60 нм и зазором около 100 нм. Далее, методом обратной
фотолитографии изготавливаются контакты. На последнем этапе через резистную маску формируется чувствительный элемент детектора – квадратная площадка общей площадью либо 77 мкм2,
либо 1010 мкм2.
а
б
Рис. 2. Микроснимок сверхпроводникового детектора на основе узких параллельных полосок (а)
и спектральные чувствительности детекторов (б) в форме меандра (квадраты) и в виде
параллельных
полосок (треугольники) при температурах 3 и 5 К
Сверхпроводящий однофотонный детектор...
Несмотря на уменьшение размеров полоски в два раза, плотность тока осталась высокой:
6  106 A/cм2 при температуре 4,2 К, что свидетельствует о высоком качестве сверхпроводящей
пленки NbN и всех технологических процессов.
Нами были измерены квантовые эффективности детектора для двух длин волн 1,26 мкм и
1,55 мкм и спектральные чувствительности в диапазоне 1 – 4 мкм. Квантовая эффективность
определялась как отношение числа срабатываний детектора или количества импульсов на выходе
приемной системы к количеству фотонов, падающих на оптический вход приемника – стандартное
одномодовое волокно. Спектральные зависимости были измерены в оптическом вакуумном криостате с помощью инфракрасного спектрометра.
На рис. 2,б представлены спектральные зависимости квантовой эффективности (в относительных единицах) для обычного меандра с шириной полоски 120 нм (данные взяты из работы [6])
и для детектора в виде 46 параллельных полосок шириной 56 нм при температурах 3 и 5 К. Видно,
что в среднем ИК диапазоне (3–4 мкм) новый детектор в виде узких параллельных полосок имеет
квантовую эффективность более чем на порядок выше, чем детектор в форме меандра.
Отметим также, что переход от одной длинной полоски к параллельным полоскам позволил
существенно уменьшить кинетическую индуктивность детектора и сократить время отклика, которое составило менее 1 нс, что создает предпосылки для достижения скорости счета до 1 ГГц и
выше. Это делает такой детектор перспективным для применения в системах связи и квантовой
криптографии.
Детектор, интегрированный в λ/4 оптический резонатор. Согласно [6] квантовая эффективность лучших сверхпроводниковых детекторов на основе тонкой пленки NbN вблизи критического тока ограничена коэффициентом поглощения тонкой пленки NbN и достигает 30 %. Для того, чтобы увеличить поглощение в пленке мы интегрировали детектор в λ/4 оптический резонатор.
Схематическое изображение поперечного сечения такого детектора представлено на рис. 3.
Оптический резонатор оптимизировался на длину волны 1,55 мкм и состоял из слоя диэлектрика толщиной λ/4 и металлического зеркала. Диэлектрик и металл наносились сверху рабочего
элемента детектора. В качестве диэлектрика использовался слой двуокиси кремния SiO2, осажденного методом электронно-лучевого испарения. Толщина пленки SiO2 270 нм подбиралась из расчета максимума поглощения на длину волны 1,55 мкм и показателя преломления SiO2, n = 1,44,
измеренного на установке плазмо-химического травления Corial с помощью end point detector
(датчика, контролирующего процесс травления). Металлическое зеркало изготавливалось из золота Au. Оба составляющих слоя резонатора формировались методом обратной электронной литографии.
На рис. 4,а представлены спектральные зависимости квантовой эффективности детектора с
резонатором и детектора без резонатора.
Рис. 3. Топология SSPD, интегрированного с оптическим резонатором
Сверхпроводящий однофотонный детектор...
а
б
Рис. 4. Спектральные зависимости квантовой эффективности детектора с резонатором
(кружки) и детектора без резонатора (треугольники) от длины волны (а) и отношение
квантовых эффективностей детектора с резонатором к детектору без резонатора (б)
Характер спектральной зависимости квантовой эффективности детектора с резонатором
определяется толщинами и зависимостями показателей преломления слоев системы детектор +
резонатор от длины волны. Отсутствие увеличения квантовой эффективности на длине волны
1,55 мкм у образца с резонатором, по отношению к образцу без резонатора, можно объяснить тем,
что сравниваются два разных детектора. У детектора с резонатором квантовая эффективность до
нанесения резонатора изначально имела меньшее значение, чем квантовая эффективность образца
без резонатора. На рис. 4,б, где приведено отношение эффективности детектора с резонатором к
эффективности детектора без резонатора, виден резкий резонансный минимум, обусловленный
деструктивной интерференцией.
Заключение. Было показано, что уменьшение ширины полоски у однофотонного сверхпроводникового детектора со 120 нм до 50 нм приводит к увеличению чувствительности в среднем
ИК-диапазоне более, чем в 10 раз. Дальнейшая работа будет направлена на измерение и сравнение
квантовых эффективностей детектора в форме меандра и детектора на основе параллельных полос
шириной 50 нм. Также было показано, что сверхпроводящий однофотонный детектор можно интегрировать в четвертьволновой оптический резонатор. Дальнейшая работа будет направлена на изготовление слоя диэлектрика нужной оптической толщины и повышения выхода структур, в которых интегрированный оптический резонатор будет способствовать увеличению квантовой эффективности на определенной длине волны
Работа была выполнена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 годы (ГК № П925 и ГК № П1921).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
(1). P. 246.
7.
8.
5338.
9.
P. 192.
10.
11.
12.
Cova S., Ghinoni M., Lacaita A. et al. // Appl. Opt. 1996. V. 35 (12). P. 1956.
Ribordy G., Gautier J.D., Zbinden H et al. // Appl. Opt. 1998. V. 37. P. 2272.
Bethnune D.S., Navarro M., Risk W.P. // Appl. Opt. 2002. V. 41. P. 1640.
Lita A., Miller A., Nam S. // Optics express. 2008. V. 16 (5). P. 3032.
Goltsman G., Okunev O., Chulkova G. et al. // Appl. Phys. Lett. 2001. V. 79. P. 705.
Goltsman G., Minaeva O., Korneev A et al. // IEEE Trans. Appl. Supercond. 2007. V. 17
Verevkin A., Pearlman A., Slysz W. et al. // J. Mod. Opt. 2004. V.51 (9-10). P.1447.
Korneev A., Kouminov P., Matvienko V. et al. // Appl. Phys Lett. 2004. V. 84 (26). P.
Goltsman G., Smirnov K., Kuminov P. et al. // IEEE Trans. Appl. Supercond. 2003. V. 13.
Casaburi A., Ejnaes M., Cuarantal O. et al. // J. Phys. Conf. Ser. 2008. V. 97. P. 012265.
Milostnaya I., Korneev A., Rubtsova I. et al. // J. Phys. Conf. Ser. 2006. V. 43. P. 1334.
Rosford K., Yang J., Dauler E. // Opt. Express. 2006. V. 14(2). P. 527.