[论文解读] Efficient and robust fiber coupling of superconducting single photon detectors

S. N. Dorenbos, Reinier Heeres+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2011

Atomic and Subatomic Physics Research被引用 3

一句话总结

本文提出了一种高效且鲁棒的超导纳米线单光子探测器（SSPDs）光纤耦合技术，采用光刻定义的圆形芯片，可自对准至光纤套筒。该方法实现了接近单位的耦合效率，并在1200 nm波长下获得34%的系统探测效率，经由衰减宽带光源和关联光子对测量双重验证，消除了低温原位对准及热致错位问题。

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.

研究动机与目标

• 为解决在低温下对小面积超导单光子探测器（SSPDs）实现高效可靠光纤耦合的挑战。
• 通过实现被动自对准光纤耦合，消除低温下原位对准的需求。
• 在冷却过程中因热收缩而保持高耦合效率与稳定性能。
• 通过两种独立测量方法验证耦合效率：衰减可调宽带光源与关联光子对。
• 实现SSPDs在光纤基量子光学与通信系统中的实用化集成。

提出的方法

• 采用电子束光刻与反应离子蚀刻，在氧化硅上溅射的NbTiN薄膜上制备圆形SSPD芯片。
• 通过博世工艺进行深反应离子蚀刻，形成厚度为300 µm、垂直蚀刻的硅芯片，具有精确的2.5 mm直径。
• 设计芯片使其可自对准于标准FC光纤套筒中，实现无需主动调节的亚微米对准精度。
• 采用三层抗蚀剂掩模（光致抗蚀剂、金属、电子束抗蚀剂）实现高分辨率图案化与高鲁棒性深蚀刻。
• 将芯片集成至光纤套筒中，电连接端子延伸至套筒外部以实现电气连接。
• 通过两种方法验证耦合效率：衰减可调宽带光源与通过自发参量下转换生成关联光子对的绝对效率测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 自对准光纤耦合方法是否可在无需低温原位对准的情况下，实现接近单位的耦合效率？
• RQ2 在通信波段，特别是1200 nm波长下，光纤耦合SSPD的系统探测效率是多少？
• RQ3 光纤端面与探测器表面形成的光学腔如何影响吸收效率与整体系统探测效率？
• RQ4 通过宽带衰减测量得到的耦合效率与通过关联光子对测量的绝对效率在多大程度上一致？
• RQ5 通过调节热氧化硅厚度，是否可调节光学设计以在任意所需波长下实现最大探测效率？

主要发现

• 光纤耦合技术实现了接近单位的耦合效率，且无需低温原位对准。
• 在2.5 K下使用可调谐宽带光源测量，系统探测效率在1200 nm波长下达到34%。
• 通过关联光子对测量得到的SSPD绝对效率为11.9%，与宽带方法推导出的33.6%效率一致。
• 采用法布里-珀罗近似对光学腔效应进行建模，拟合得到光纤到探测器的距离为1.23 µm，与物理接触一致。
• 在2.5 K下暗计数率降低至500 cps，本征暗计数在接近临界电流时占主导。
• 在1200 nm波长处测得的峰值探测效率归因于SiO2/Si腔中的相长干涉，当氧化硅厚度d = 220 nm时，最大吸收出现在λ ≈ 1300 nm。