[논문 리뷰] Efficient and robust fiber coupling of superconducting single photon detectors

S. N. Dorenbos, Reinier Heeres외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 09. 27.

Atomic and Subatomic Physics Research인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 초전도 나노와이어 단광자 검출기(SSPDs)에 대해 레이저로 정의된 원형 칩을 사용하여 피 fiber 패드에 자가정렬되는 고효율이고 내구성 있는 광섬유 커플링 기술을 제시한다. 이 방법은 근접 1에 가까운 커플링 효율을 달성하고, 1200 nm에서 34%의 시스템 검출 효율을 확보하였으며, 감쇠된 밴드폭 전체 측정 및 상관관계가 있는 광자 쌍 측정을 통해 검증되었으며, 냉각 상태에서의 현장 정렬 및 열수축에 의한 정렬 이격 문제를 제거한다.

ABSTRACT

We applied a recently developed fiber coupling technique to superconducting single photon detectors (SSPDs). As the detector area of SSPDs has to be kept as small as possible, coupling to an optical fiber has been either inefficient or unreliable. Etching through the silicon substrate allows fabrication of a circularly shaped chip which self aligns to the core of a ferrule terminated fiber in a fiber sleeve. In situ alignment at cryogenic temperatures is unnecessary and no thermal stress during cooldown, causing misalignment, is induced. We measured the quantum efficiency of these devices with an attenuated tunable broadband source. The combination of a lithographically defined chip and high precision standard telecommunication components yields near unity coupling efficiency and a system detection efficiency of 34% at a wavelength of 1200 nm. This quantum efficiency measurement is confirmed by an absolute efficiency measurement using correlated photon pairs (with $λ$ = 1064 nm) produced by spontaneous parametric down-conversion. The efficiency obtained via this method agrees well with the efficiency measured with the attenuated tunable broadband source.

연구 동기 및 목표

• 초전도 단광자 검출기(SSPDs)가 냉각 온도에서 작동할 때 효율적이고 신뢰할 수 있는 광섬유 커플링을 해결하기 위해.
• 저온에서의 현장 정렬이 필요 없도록 수동적이고 자가정렬 가능한 광섬유 커플링을 가능하게 하여.
• 냉각 시 열수축에 비해도 높은 커플링 효율과 안정된 성능을 달성하기 위해.
• 두 가지 독립적인 측정 방법을 사용하여 커플링 효율을 검증하기 위해: 감쇠된 밴드폭 전체 소스 및 상관관계가 있는 광자 쌍.
• SSPDs를 섬유 기반 양자광학 및 통신 시스템에 실용적으로 통합하기 위해.

제안 방법

• 산화 실리콘 기판 위에 스퍼터링된 NbTiN 필름에 전자선 리소그래피 및 반응성 이온 에칭을 사용하여 원형 SSPD 칩을 제작하였다.
• 보쉬 공정을 통해 깊은 반응성 이온 에칭을 수행하여 정밀하게 정의된 2.5 mm 지름의 300 µm 두께의 수직 에칭된 실리콘 칩을 제작하였다.
• 표준 FC 광섬유 패드 슬리브 내에서 자가정렬되도록 칩을 설계하여, 활성 조정 없이도 마이크로미터 이내의 정밀도로 정렬 정확도를 확보하였다.
• 고해상도 패턴 형성과 견고한 깊은 에칭을 가능하게 하기 위해 삼중층 리소그래피 마스크(광저항, 금속, 전자선 리소그래피)를 사용하였다.
• 전기적 연결을 위해 패드 외부로 연장된 접합 가능 접점이 있는 광섬유 슬리브에 칩을 통합하였다.
• 두 가지 방법을 사용하여 커플링 효율을 검증하였다: 감쇠된 가변 밴드폭 전체 소스 및 자발적 주파수 분할에 의한 상관관계가 있는 광자 쌍을 이용한 절대 효율 측정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기정렬 광섬유 커플링 기술이 저온에서의 현장 정렬이 필요 없이 초전도 나노와이어 단광자 검출기에서 근접 1에 가까운 커플링 효율을 달성할 수 있는가?
• RQ2 특히 1200 nm에서 섬유 커플링된 SSPD의 시스템 검출 효율은 얼마인가?
• RQ3 광섬유 끝과 검출기 표면 사이에 형성된 광학 공진통로가 흡수 효율과 전체 시스템 검출 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 감쇠된 밴드폭 전체 측정을 통한 측정된 커플링 효율이 상관관계가 있는 광자 쌍을 이용한 절대 효율 측정과 어느 정도 일치하는가?
• RQ5 열산화막 두께를 조절하여 어떤 원하는 파장에서라도 검출 효율을 최대화할 수 있는가?

주요 결과

• 광섬유 커플링 기술은 냉각 상태에서의 현장 정렬이 필요 없이 근접 1에 가까운 커플링 효율을 달성하였다.
• 2.5 K에서 감쇠된 가변 밴드폭 전체 소스를 사용하여 1200 nm에서 34%의 시스템 검출 효율을 확보하였다.
• 상관관계가 있는 광자 쌍을 이용한 절대 효율 측정에서 SSPD의 효율은 11.9%였으며, 밴드폭 전체 방법에서 유도된 33.6%의 효율과 일치하였다.
• 광학 공진통로 효과는 패배르-페로트 근사로 모델링되었으며, 피팅된 광섬유에서 검출기까지의 거리는 1.23 µm로 측정되어 물리적 접촉과 일치하였다.
• 2.5 K에서 암전류 수준은 500 cps로 감소하였으며, 임계 전류 근처에서 내재된 암전류가 지배적이었다.
• 1200 nm에서 측정된 최고 검출 효율은 SiO2/Si 공진통로에서의 건설 간섭에 기인하며, d = 220 nm일 때 λ ≈ 1300 nm에서 최대 흡수 효율을 보였다.