高速、空间分辨超导单光子探测系统及其应用

【摘要】超导纳米线单光子探测器(SNSPD)是一种用于高效、快速、准确地探测单光子的新型光探测器。探测器感光部分为使用超导薄膜材料制备成的纳米线蜿蜒结构。探测器工作时被偏置在稍低于其超导临界电流的位置。当纳米线吸收光子后,吸收区域的超导态被破坏,产生热岛,热岛区域在电流焦耳热的协助下增长到一定范围,随后经过纳米线自身和衬底的冷却,热岛区域消失,纳米线恢复到初始状态。探测器吸收光子的过程在电路上表现为快速上升,随后指数衰减的电脉冲。通过将此脉冲信号放大,我们就可以鉴别单光子的到达。经过近年来的发展,SNSPD表现出比雪崩二极管和光电倍增管等现有单光子探测器更优异的性能。在探测效率上,使用氮化铌材料制备的探测器,其探测效率高于80%；使用钨化硅材料制备的探测器,其探测效率高于90%。在保证高效探测的同时,其暗计数率可以小于10Hz。氮化铌材料的SNSPD,其时间抖动小于50ps,重复速率大于100MHz。另外,SNSPD工作在常开模式。基于超导纳米线单光子探测器突出的性能,它被应用于量子保密通信、集成电路检测、生物荧光检测、单光子源标定、分布式光纤传感、深度成像等领域。本论文围绕着超导纳米线单光子探测器展开,研究热点问题,讨论改善探测器性能的途径,提出新型结构,并将SNSPD应用到具体领域,研究成果主要包括如下几个方面：(1)制备并系统表征探测器的各种性能指标,指导进一步提高优化探测器。特别是在改进探测器的高速探测性能方面,研究了引起探测器时间抖动的外界因素,给出了计算探测器本征抖动的方法；测量探测器动态电感,并讨论了电流恢复时间对探测器计数率的非线性影响；提出新型室温读出电路,解决了常规读出电路中,放大器耦合电容对计数率的限制。(2)建模SNSPD响应脉冲的电热过程,仿真纳米线响应后的热扩散过程。利用电热模型,我们研究了SNSPD串联电阻后探测器电流恢复时间的加速效应,以及电流恢复时间过快导致的热锁定效应。将电热模型同具体电路结合起来,仿真了由纳米线和电子器件构成的混合结构式的SNSPD阵列、分级雪崩型纳米线探测器的脉冲输出。(3)设计一种新型的SNSPD阵列实现方案：纳米线在空间分布,响应脉冲通过纳米线电感构成的电流分束网络输出至两端,通过读取差分信号的幅度来鉴别响应像元的空间位置。成功制备出4-像元SNSPD阵列,并在实验上实现了无互扰的空间分辨,以及124ps的时间分辨。像元探测效率一致性高。(4)设计一种新型的分级雪崩型纳米线探测器(m-n-SNAP):多根纳米线条通过二叉树型电感网络并联,通过控制雪崩过程分级发生,降低了纳米线全部雪崩时所需要的偏置电流。成功制备出8条纳米线并联的3-2-SNAP,系统表征了探测器的性能。相比单根纳米线构成的SNSPD,3-2-SNAP的输出提高8倍；相比常规并联型结构,成功将雪崩电流降低了13%。(5)将SNSPD应用至光时域反射计中。利用SNSPD高效、高速的特性,并结合读出电路的改进,我们成功的实现了：长距离探测OTDR,探测距离最远可达到247km；高空间分辨率OTDR,空间分辨率达到4mm。同时,我们系统研究了SNSPD’性能对OTDR系统的改进。在专注提升SNSPD性能,扩展其应用的同时,我们也研究了与SNSPD相关的物理问题,如光子响应和暗计数的微观模型,纳米线条的输运特性等。通过深入了解SNSPD,我们提出了进一步改进探测器性能的途径。
【作者】赵清源；
【导师】陈健；
【作者基本信息】南京大学，无线电物理，2014，博士
【关键词】超导电子器件；纳米线；单光子探测器；阵列；光时域反射计；

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