[論文レビュー] A superconducting-nanowire single-photon camera with 400,000 pixels

Bakhrom Oripov, Dana S. Rampini+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2023

CCD and CMOS Imaging Sensors参考文献 32被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、交互に配置されたWSiナノワイヤを用いた熱的に結合された行-列多重化アーキテクチャを採用した400,000画素の超伝導ナノワイヤー単一光子カメラを提案する。デバイスは5×5 µm画素分解能を達成し、370 nmおよび635 nmでユニティ量子効率を示し、アレイ全体で0.13 cpsのダークカウントレートを達成しており、0.8 Kで動作し、4本のマイクロ波同軸ケーブルによるスケーラブルな読み出しを実現している。

ABSTRACT

For the last 50 years, superconducting detectors have offered exceptional sensitivity and speed for detecting faint electromagnetic signals in a wide range of applications. These detectors operate at very low temperatures and generate a minimum of excess noise, making them ideal for testing the non-local nature of reality, investigating dark matter, mapping the early universe, and performing quantum computation and communication. Despite their appealing properties, however, there are currently no large-scale superconducting cameras - even the largest demonstrations have never exceeded 20 thousand pixels. This is especially true for one of the most promising detector technologies, the superconducting nanowire single-photon detector (SNSPD). These detectors have been demonstrated with system detection efficiencies of 98.0%, sub-3-ps timing jitter, sensitivity from the ultraviolet (250nm) to the mid-infrared (10um), and dark count rates below 6.2e-6 counts per second (cps), but despite more than two decades of development they have never achieved an array size larger than a kilopixel. Here, we report on the implementation and characterization of a 400,000 pixel SNSPD camera, a factor of 400 improvement over the previous state-of-the-art. The array spanned an area 4x2.5 mm with a 5x5um resolution, reached unity quantum efficiency at wavelengths of 370 nm and 635 nm, counted at a rate of 1.1e5 cps, and had a dark count rate of 1e-4 cps per detector (corresponding to 0.13 cps over the whole array). The imaging area contains no ancillary circuitry and the architecture is scalable well beyond the current demonstration, paving the way for large-format superconducting cameras with 100% fill factors and near-unity detection efficiencies across a vast range of the electromagnetic spectrum.

研究の動機と目的

• 大規模で高密度の画素アレイを実現するため、超伝導ナノワイヤー単一光子検出器（SNSPD）のスケーラビリティの限界を克服すること。
• SNSPDが生成する低振幅で帯域が広いパルスを、大規模に効率的に読み出すことが難しいという課題に対処すること。
• キロピクセル以上を想定したアレイにおいて、高い信号対雑音比を維持し、クロストークを最小限に抑えるスケーラブルで低ノイズの読み出しアーキテクチャを開発すること。
• 100%のフィルファクターを達成する大規模な撮像領域において、ニアユニティの量子効率と低いダークカウントレートを実現すること。
• 標準的なリソグラフィーと熱的結合の原則を用いて、大規模SNSPDアレイの実用的で再現性のあるプロセスを開発すること。

提案手法

• SNSPDをグリッド状に配置し、抵抗性熱結合素子を介して共有の読み出しバスに接続する、熱的に結合された行-列多重化アーキテクチャを採用した。
• Tc = 3.4 K、比誘導率が250 pH/sqの4-nm厚さのWSi膜を用い、1.1 µm幅、5 µm間隔でパターン形成された交互に配置された行および列のナノワイヤー検出器を採用した。
• 4本のバス読み出しシステムを実装し、8本のマイクロ波同軸ケーブルを用い、各バスが熱結合素子を介して50個の検出器に接続されるようにして多重化を実現した。
• R_bias = 1000 Ω、R_s = 80 Ω、R_sh = 16 Ω、R_tc = 16 Ω、L_s = 1.25 µH、L_snspd = 1.14 µHという回路パラメータを最適化し、均一な電流分布、低クロストーク、高速リセット時間を確保した。
• ステッパー光リソグラフィー技術を用いて、10個の検出器を含むユニットセルを1000×1000アレイに複製し、均一な出yieldを達成するスケーラブルなプロセスを実現した。
• バスからの時間遅延データのタイムタギングとヒストグラム化を実施し、2次元画像の再構成と検出性能の定量的評価を実現した。

Figure 1: (a) Imaging with the $800\times 500$ array at 370 nm. Raw time-delay data from the buses are shown as individual dots in red, and binned 2D histogram data is shown in black and white. (b) Count rate as a function of bias current for various wavelengths of light as well as dark counts. (c)

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱的結合と多重化を用いて、大規模で低クロストークの読み出しアーキテクチャをSNSPD大規模アレイに開発可能か？
• RQ2 高い量子効率と低いダークカウントレートを維持したまま、超伝導ナノワイヤー単一光子カメラで達成可能な最大画素数は何か？
• RQ3 信号対雑音比とスケーラビリティの観点から、熱的行-列アーキテクチャは、従来の多重化方式と比べてどのように異なるか？
• RQ4 標準的なリソグラフィー技術を用いた場合、大規模SNSPDアレイにおけるプロセスの出yieldと均一性はどの程度維持可能か？
• RQ5 400,000画素のSNSPDアレイは、同時にニアユニティの量子効率とcps未満のダークカウントレートを達成可能か？

主な発見

• SNSPDアレイは400,000画素を達成し、5×5 µm画素分解能を実現した。これは、従来の最高水準である1,024画素と比べて400倍の向上を示している。
• 370 nmおよび635 nmでユニティ量子効率を示し、可視光帯域においてほぼ完全な光子検出を実現していることが示された。
• 1.0×10⁻⁴ cps/検出器というダークカウントレートが測定され、アレイ全体で合計0.13 cpsに相当し、低ノイズ動作を確認した。
• 0.8 Kで1.1×10⁵ cpsのカウントレートを達成した。これは高いダイナミックレンジと高速リセット能力を示している。
• 読み出しアーキテクチャはアレイ全体で4本のマイクロ波同軸ケーブルのみを用い、低熱負荷でスケーラブルな多重化と最小限のクロストークを実現した。
• 製造されたアレイには撮像領域に付加回路が一切存在せず、100%のフィルファクターを達成し、より大きなフォーマットへの完全なスケーラビリティを示した。

Figure 2: (a) Circuit diagram of a bus and one section of 50 detectors with ancillary readout components. SNSPDs are shown in the gray boxes, and all other components are placed outside of the imaging area. A photon that arrives at time $t_{0}$ has its location determined by a time-of-flight readout