[论文解读] A single-photon detector with high efficiency and sub-10ps time resolution

Iman Esmaeil Zadeh, Johannes W. N. Los+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2018

Advanced Optical Sensing Technologies被引用 18

一句话总结

该论文通过优化基于NbTiN的器件中纳米线的几何形状和薄膜厚度，展示了一种超导纳米线单光子探测器（SNSPD），实现了亚10 ps的时间抖动和>86%的探测效率。通过采用低通滤波器实现多光子激发，作者实现了创纪录的<3 ps本征时间分辨率，为量子光学和超快科学中的超快光探测设定了新基准。

ABSTRACT

The observation of fast physical dynamics using optical techniques currently relies on indirect methods, such as pump-probe measurements. One reason for this is the lack of an efficient detector with high time resolution. Single-photon detectors with high efficiency and ultra-high time resolution serve as the best candidates for replacing such indirect methods. We engineer the nano-structure of Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors (SNSPDs) to achieve a time resolution better than 10ps and at the same time a high efficiency (&gt;86%). Furthermore, at the limit of multiphoton excitation, using an improved readout technique, we reach an unprecedented time resolution of &lt;3ps. These findings set a new upper limit for the intrinsic time resolution of SNSPDs and open up new possibilities for direct observation of fast phenomena in different fields of science.

研究动机与目标

• 开发一种兼具高探测效率和超高速时间分辨率的单光子探测器，以替代间接方法（如泵浦-探测测量）。
• 通过调控纳米线几何形状和薄膜厚度，克服SNSPD中高效率与低时间抖动之间的权衡。
• 利用优化的NbTiN薄膜和制造工艺，在近红外波长（787 nm和1550 nm）下实现亚10 ps的时间抖动。
• 通过最小化光子吸收和几何效应的贡献，探索在高激发功率下本征时间分辨率的极限。
• 展示一种新型低通滤波器读出技术，实现在多光子激发下低抖动的稳定运行。

提出的方法

• 在λ/4 SiO2腔体上采用溅射沉积的NbTiN薄膜，并集成金镜以增强光吸收，制备SNSPD。
• 优化纳米线蛇形结构以实现高均匀性和填充因子（787 nm时为0.5–0.6，1550 nm时为0.4–0.45），以饱和内部效率。
• 在787 nm工作时采用9 nm厚的NbTiN薄膜，在1550 nm工作时采用8.5 nm厚薄膜，以平衡临界电流与准粒子生成。
• 使用低温和室温放大器测量时间抖动，并对增益和带宽进行精确校准。
• 在SNSPD并联接入低通滤波器，以实现高频信号耦合的同时提供接地的直流路径，从而实现高达1–10 nW的多光子激发。
• 在不同计数率下进行光子相关性测量，以分析抖动分布和死时间效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 SNSPD能否在不同近红外波长下同时实现亚10 ps的时间抖动和>86%的探测效率？
• RQ2 当外部贡献（如吸收几何形状、光子到达时间）被最小化时，SNSPD的时间抖动本征极限是什么？
• RQ3 多光子激发如何影响时间抖动？是否可用于提取探测器的真实本征抖动？
• RQ4 探测器计数率与激光重复率之比在多大程度上影响抖动分布的形状？
• RQ5 低通滤波器读出方案能否在高光功率下实现稳定运行而不发生正常态锁定？

主要发现

• 在解耦相关器和光电二极管贡献后，SNSPD的时间抖动低于3 ps，代表了目前报道的SNSPD中最低的本征抖动。
• 在787 nm波长下，探测器采用9 nm厚NbTiN薄膜和优化的纳米线几何结构，实现了>86%的探测效率和亚10 ps的时间抖动。
• 在1550 nm波长下，探测器采用8.5 nm厚薄膜、45 nm宽纳米线和约0.4的填充因子，实现了>72%的效率和亚10 ps的抖动。
• 在多光子激发（1–10 nW）条件下，测得抖动为3.66 ps，当外部组件解耦后，本征抖动估计值<3 ps。
• 在高计数率（>0.1×激光重复频率）下，抖动分布偏离单个高斯分布，表明由于偏置电流恢复不完全，检测事件之间存在干扰。
• 采用低通滤波器使系统在高激发功率下稳定运行而未发生锁定，允许系统以激光重复频率（50 MHz）运行，从而平均掉几何和吸收相关的抖动源。