[论文解读] High-efficiency superconducting nanowire single-photon detectors fabricated from MoSi thin-films

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

Quantum Information and Cryptography参考文献 33被引用 111

一句话总结

本论文展示了基于MoSi薄膜的高效率超导纳米线单光子探测器（SNSPDs）的制备，该器件嵌入介质光学堆栈中，以增强1542 nm波长下的光吸收。在0.7 K下，器件实现了87 ± 0.5%的最大系统检测效率，同时具有创纪录的低抖动76 ps，其抖动性能优于WSi基SNSPDs，且在高达2.3 K的升温条件下仍保持相近的检测效率。

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.

研究动机与目标

• 开发基于MoSi薄膜的高效率SNSPDs，作为WSi或NbN材料的替代方案。
• 在保持高内部检测效率的同时，降低非晶超导材料基SNSPDs的抖动。
• 在不牺牲效率的前提下，实现高达2.3 K的低温运行，从而降低制冷系统复杂度与成本。
• 通过优化光学堆栈设计与光纤管理，最小化偏振依赖性与暗计数率。

提出的方法

• 在室温下通过直流磁控溅射沉积6.6 nm厚的Mo0.8Si0.2薄膜，并使用非晶硅作为顶帽层以防止氧化。
• 采用电子束光刻与SF6电感耦合等离子体刻蚀工艺，制造出宽20 µm、线宽130 nm、节距215 nm的纳米线蛇形结构。
• 将SNSPDs集成至由Au/Ti反射镜、SiO2间隔层及多层抗反射涂层组成的介质光学堆栈中，以最大化1550 nm波长的吸收。
• 使用波长为1542 nm的连续波激光源，并结合NIST校准的功率计进行输入功率标定及系统检测效率（SDE）测量。
• 在40 K下使用低温前置放大器，结合室温高增益（总增益51 dB）放大器，以最小化电子噪声并测量系统抖动。
• 将光学光纤在探测器附近盘绕，以抑制黑体辐射引起的背景计数，从而降低暗计数率。

实验结果

研究问题

• RQ1 MoSi基SNSPDs是否能在显著降低抖动的同时，实现与最先进的WSi基SNSPDs相当的系统检测效率？
• RQ2 MoSi SNSPDs的内部检测效率在高温（如2.3 K）下是否趋于饱和，从而支持使用更简单的制冷系统运行？
• RQ3 光学堆栈设计在多大程度上降低了偏振依赖性并增强了MoSi SNSPDs的光子吸收？
• RQ4 在低温条件下，纳米线几何结构、偏置电流与系统抖动之间存在何种关系？
• RQ5 光纤盘绕在抑制高效率SNSPDs中黑体辐射引起的暗计数方面，其有效性如何？

主要发现

• 在0.7 K下运行时，MoSi SNSPD在1542 nm波长下实现了最大87 ± 0.5%的系统检测效率（SDE），性能接近WSi基SNSPDs。
• 在0.7 K下测得的系统抖动为76 ps，相比WSi基SNSPDs（约150 ps）在更低温度下运行时的抖动，实现了近乎两倍的降低。
• 在2.3 K时，SNSPD的内部效率保持在79 ± 2%的饱和水平，表明其在较高低温下仍具有优异性能。
• 偏振依赖性仅为3.4 ± 0.7%，显著低于大多数报道的NbN和WSi基SNSPDs，表明填充因子高且光学堆栈设计高效。
• 最大计数率在输入光子通量接近10^7个/秒时仍保持线性，表明具有优异的线性度与高动态范围。
• 通过光纤盘绕，当偏置电流低于0.9ISW时，背景计数率被抑制至10 cps以下，有效抑制了长波长黑体辐射的影响。