[論文レビュー] A single-photon detector with high efficiency and sub-10ps time resolution

Iman Esmaeil Zadeh, Johannes W. N. Los+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2018

Advanced Optical Sensing Technologies被引用数 18

ひとこと要約

本論文では、NbTiNベースのデバイスにおけるナノワイヤーの幾何形状と膜厚の最適化により、10 ps未塔のタイミングジッターと86%を超える検出効率を達成した超伝導ナノワイヤー単一光子検出器（SNSPD）を提示する。マルチフォトン励起に低域通過フィルタを適用することで、記録的な3 ps未塔の内在的時間分解能を達成し、量子光学および超高速科学分野における超高速光検出の新基準を確立した。

ABSTRACT

The observation of fast physical dynamics using optical techniques currently relies on indirect methods, such as pump-probe measurements. One reason for this is the lack of an efficient detector with high time resolution. Single-photon detectors with high efficiency and ultra-high time resolution serve as the best candidates for replacing such indirect methods. We engineer the nano-structure of Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors (SNSPDs) to achieve a time resolution better than 10ps and at the same time a high efficiency (>86%). Furthermore, at the limit of multiphoton excitation, using an improved readout technique, we reach an unprecedented time resolution of <3ps. These findings set a new upper limit for the intrinsic time resolution of SNSPDs and open up new possibilities for direct observation of fast phenomena in different fields of science.

研究の動機と目的

• 間接的手法（ポンプ・プローブ測定など）に代わる、高い検出効率と超高速時間分解能を両立した単一光子検出器の開発を目的とする。
• ナノワイヤーの幾何形状と膜厚の設計により、SNSPDにおける高効率と低タイミングジッターのトレードオフを克服することを目的とする。
• 最適化されたNbTiN膜とプロセス技術を用いて、近赤外波長（787 nmおよび1550 nm）で10 ps未塔のタイミングジッターを達成することを目的とする。
• 光子吸収および幾何的要因の寄与を最小限に抑えた状態で、内在的時間分解能の限界を特定することを目的とする。
• 高励起パワー下での内在的ジッターを抽出可能にする新たな低域通過フィルタ読み出し技術の実証を目的とする。

提案手法

• λ/4 SiO2キャビティ上にスパッタリング法で形成したNbTiN膜を用い、金ミラーを組み合わせて光学吸収を増強することでSNSPDをプロトタイピングした。
• 内部効率の飽和を実現するため、均一性とフィリングファクター（787 nmでは0.5–0.6、1550 nmでは0.4–0.45）に最適化されたナノワイヤーのメander幾何形状を採用した。
• 787 nm動作には9 nm厚のNbTiN膜、1550 nm動作には8.5 nm厚の膜を用い、臨界電流と準粒子生成のバランスを最適化した。
• 冷却および常温アンプを併用してタイミングジッターを測定し、増幅率と帯域幅の正確なキャリブレーションを実施した。
• SNSPDと並列に低域通過フィルタを導入し、高周波信号の結合を可能にするとともに、DCパスをグランドに確保することで、1–10 nWまでのマルチフォトン励起を可能にした。
• カウントレートを変化させた状態で光子相関測定を実施し、ジッター分布およびデッドタイム効果を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SNSPDは、異なる近赤外波長で10 ps未塔のタイミングジッターを維持しながら、86%を超える検出効率を達成できるか？
• RQ2 外部寄与要因（例：吸収幾何形状、光子到着時刻）を最小限に抑えた状態で、SNSPDの内在的ジッターの限界は何か？
• RQ3 マルチフォトン励起はタイミングジッターにどのような影響を及ぼし、それが検出器の真の内在的ジッターを抽出するのに利用可能か？
• RQ4 検出器カウントレートとレーザー繰り返し周波数の比が、ジッター分布の形状にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ5 低域通過フィルタ読み出し方式により、ラッチ状態に陥ることなく高光パワー下でも安定した動作が可能か？

主な発見

• 相関器およびフォトダイオードの寄与を分離した後、<3 psのタイミングジッターを達成し、SNSPD分野で報告された最低の内在的ジッターを記録した。
• 787 nmでは、9 nm厚のNbTiN膜と最適化されたナノワイヤー幾何形状を用いることで、86%を超える検出効率と10 ps未塔のタイミングジッターを達成した。
• 1550 nmでは、8.5 nm厚の膜と45 nm幅のナノワイヤー、フィリングファクター約0.4を用いることで、72%を超える効率と10 ps未塔のジッターを達成した。
• マルチフォトン励起（1–10 nW）下ではジッターが3.66 psに測定されたが、外部部品を分離した際の内在的ジッターは<3 psと推定された。
• カウントレートが0.1×レーザー繰り返し周波数を超えた場合、ジッター分布は単一のガウス分布から逸脱し、バイアス電流の回復が不完全な状態で検出イベントが干渉していることを示した。
• 低域通過フィルタの導入により、ラッチ状態に陥ることなく高励起パワー下でも安定した動作が可能となり、レーザー繰り返し周波数（50 MHz）で動作可能となった。これにより、幾何的および吸収関連のジッター要因が平均化された。