[論文レビュー] High-efficiency superconducting nanowire single-photon detectors fabricated from MoSi thin-films

Varun Verma, Boris Korzh+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2015

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ひとこと要約

本論文は、1542 nmで吸収を強化するために誘電体光学スタックに埋め込まれたモリブデンシリサイド（MoSi）薄膜から作製された高効率な超伝導ナノワイヤー単一光子検出器（SNSPD）の開発を示している。0.7 Kで最大87 ± 0.5%のシステム検出効率を達成し、記録的な低ジャイタ（76 ps）を実現しており、ジャイタ性能においてWSiベースのSNSPDを上回りながら、効率は同等を維持している。これは2.3 Kまでの上昇温度でも同様に成立する。

ABSTRACT

We demonstrate high-efficiency superconducting nanowire single-photon detectors (SNSPDs) fabricated from MoSi thin-films. We measure a maximum system detection efficiency (SDE) of 87 +- 0.5 % at 1542 nm at a temperature of 0.7 K, with a jitter of 76 ps, maximum count rate approaching 10 MHz, and polarization dependence as low as 3.4 +- 0.7 % The SDE curves show saturation of the internal efficiency similar to WSi-based SNSPDs at temperatures as high as 2.3 K. We show that at similar cryogenic temperatures, MoSi SNSPDs achieve efficiencies comparable to WSi-based SNSPDs with nearly a factor of two reduction in jitter.

研究の動機と目的

• WSi や NbN とは異なる材料として、MoSi 薄膜を用いた高効率 SNSPD の開発を目的とする。
• 非アモルファス超伝導体ベースの SNSPD におけるジャイタ低減を図りながら、高い内部検出効率を維持することを目的とする。
• 冷媒システムの複雑さとコストを低減するため、効率を損なわずにより高い低温（最大2.3 K）での動作を可能とすることを目的とする。
• 最適化された光学スタック設計とファイバー管理により、偏光依存性とダークカウントレートを最小限に抑えること。

提案手法

• 室温で直流磁気スパッタリング法を用いて6.6 nmのMo0.8Si0.2薄膜を堆積し、酸化を防ぐためにアモルファスSiでキャップ処理した。
• 電子ビームリソグラフィーとSF6プラズマエッチングを用いて、20 µm幅のナノワイヤーメンダー（幅130 nm、ピッチ215 nm）を形成した。
• Au/Tiミラー、SiO2スペーサ、多層膜アンチエアローレーションコーティングを含む誘電体光学スタックにSNSPDを統合し、1550 nmでの吸収を最大化した。
• 入力パワーのキャリブレーションおよびシステム検出効率（SDE）測定に、NISTキャリブレーション済みパワー計を用いた1542 nm連続波レーザーを用いた。
• 電子ノイズを最小限に抑えるために、40 Kで冷媒プリアンプを、高利得（合計51 dB）の室温アンプを用い、システムジャイタを測定した。
• ブラックボディ放射の影響を低減するために、検出器付近で光ファイバーをねじり、バックグラウンドカウントを抑制した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MoSiベースのSNSPDは、WSiベースのSNSPDと同等のシステム検出効率を達成しつつ、ジャイタを著しく低減できるか？
• RQ2 MoSi SNSPDの内部検出効率は、高温（例：2.3 K）で飽和するか？これにより、よりシンプルな冷媒システムでの動作が可能になるか？
• RQ3 光学スタック設計が、MoSi SNSPDにおける偏光依存性をどれほど低減し、光子吸収を向上させるか？
• RQ4 低温下におけるナノワイヤーの幾何形状、バイアス電流とシステムジャイタとの関係は何か？
• RQ5 高効率SNSPDにおいて、ファイバーのねじりがブラックボディ放射に起因するダークカウントをどれほど効果的に抑制できるか？

主な発見

• 0.7 Kで動作させたMoSi SNSPDは、1542 nmで最大87 ± 0.5%のシステム検出効率（SDE）を達成し、WSiベースのSNSPDと同等の性能に近づいた。
• 0.7 Kで測定したシステムジャイタは76 psであり、これはWSiベースのSNSPD（約150 ps）と比べてほぼ2倍の低減であり、はるかに低い温度で動作する場合に比べて顕著な改善である。
• 2.3 Kでも、SNSPDは79 ± 2%の飽和内部効率を維持しており、上昇温度下でも高い性能を示した。
• 偏光依存性は3.4 ± 0.7%にまで低く抑えられており、多数の報告されたNbN や WSi ベースのSNSPDと比較して顕著に低い。これは高いフィルファクターと光学スタックの有効性を示している。
• 入射光子フラックスが10^7個/秒に近づくまで、最大計数レートは線形を維持しており、優れた線形性と広いダイナミックレンジを示している。
• バイアス電流が0.9ISW未満では、光ファイバーをねじることでバックグラウンドカウントレートが10 cps未満にまで低下した。これは長波長ブラックボディ放射の抑制に効果的であった。