[논문 리뷰] High-efficiency superconducting nanowire single-photon detectors fabricated from MoSi thin-films

Varun Verma, Boris Korzh외 10명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 10.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 33인용 수 111

한 줄 요약

이 논문은 1542 nm에서 흡수를 향상시키기 위해 유전체 광스택에 통합된 MoSi 박막으로 제작된 고효율 초전도 나노와이어 단광자 검출기(SNSPD)를 시현한다. 장치는 0.7 K에서 최대 시스템 검출 효율 87 ± 0.5%를 달성하며, 기록적인 낮은 지터 76 ps를 기록하여, 훨씬 낮은 온도에서 작동하는 WSi 기반 SNSPD보다 지터 성능에서 뛰어나면서도 효율은 유사하게 유지한다. 이는 2.3 K까지 상승한 온도에서도 성능을 유지한다.

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.

연구 동기 및 목표

• WSi 또는 NbN 재료의 대안으로 MoSi 박막을 사용한 고효율 SNSPD 개발
• 고내부 검출 효율을 유지하면서 비정질 초전도체 기반 SNSPD의 지터를 감소시키기
• 효율을 손상시키지 않고 더 높은 냉각 온도(최대 2.3 K)에서 작동 가능하게 하여 냉각 시스템의 복잡성과 비용을 감소시키기
• 최적화된 광학 스택 설계와 섬유 관리로 편광 의존도와 암전류 빈도를 최소화하기

제안 방법

• 실온에서 DC 마그네트론 스퍼터링을 통해 6.6 nm 두께의 Mo0.8Si0.2 박막을 증착하고, 산화 방지를 위해 비정질 Si 캡핑층을 형성하였다.
• 전자빔 리지오그래피와 SF6 플라즈마 에칭을 이용해 20 µm 너비의 나노와이어 메ander를 제작하였으며, 폭은 130 nm, 피치는 215 nm였다.
• Au/Ti 반사판, SiO2 스퍼터, 다층 반사 방지 코팅을 포함한 유전체 광스택을 통합하여 1550 nm에서의 흡수를 최대화하였다.
• 입력 전력 캘리브레이션과 시스템 검출 효율(SDE) 측정을 위해 NIST 캘리브레이션 기준 전력계를 사용한 1542 nm 연속파 레이저를 사용하였다.
• 전자 노이즈를 최소화하고 시스템 지터를 측정하기 위해 40 K에서 냉각된 프리앰프와 고이득(총 51 dB)의 실온 앰프를 사용하였다.
• 검출기 근처에서 섬유를 둥글게 감아 배경 카운트를 억제하여 암전류 빈도를 감소시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MoSi 기반 SNSPD는 지터를 크게 감소시키면서도 최신 기술 수준의 WSi 기반 SNSPD와 유사한 시스템 검출 효율을 달성할 수 있는가?
• RQ2 MoSi SNSPD의 내부 검출 효율이 고온(예: 2.3 K)에서趋포화되는가? 이는 간단한 냉각 시스템을 사용한 작동을 가능하게 하는가?
• RQ3 광학 스택 설계가 MoSi SNSPD의 편광 의존도를 얼마나 감소시키고 광자 흡수를 향상시키는가?
• RQ4 저온에서 나노와이어 기하학적 구조, 편류 전류와 시스템 지터 간의 관계는 어떠한가?
• RQ5 섬유를 감는 것이 고효율 SNSPD에서 블랙바디 복사에 의한 암전류를 억제하는 데 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• 0.7 K에서 작동할 때 MoSi SNSPD는 1542 nm에서 최대 시스템 검출 효율(SDE) 87 ± 0.5%를 달성하여 WSi 기반 SNSPD의 성능에 근접하였다.
• 0.7 K에서 시스템 지터는 76 ps로 측정되었으며, 이는 훨씬 낮은 온도에서 작동하는 WSi 기반 SNSPD(~150 ps)에 비해 거의 두 배 향상된 결과였다.
• 2.3 K에서 SNSPD는 내부 효율 79 ± 2%로趋포화 상태를 유지하여 고온 냉각 조건에서도 뛰어난 성능을 보였다.
• 편광 의존도는 3.4 ± 0.7%로 측정되어 대부분의 보고된 NbN 및 WSi 기반 SNSPD보다 현저히 낮아, 높은 충진율과 광학 스택의 효과를 시사하였다.
• 입사 광자 빈도가 10^7개/초에 가까워질 때까지 최대 카운트 레이트는 선형을 유지하여 뛰어난 선형성과 넓은 다이내믹 레인지임을 나타내었다.
• 편류 전류가 0.9ISW 이하일 경우 섬유를 감아 배경 카운트를 10 cps 이하로 감소시켜 블랙바디 복사에 의한 암전류 억제 효과를 입증하였다.