СВЕРХПРОВОДНИКОВЫИ ОДНОФОТОННЫИ ΝΒΝ ДЕТЕКТОР БЛИЖНЕГО И СРЕДНЕГО ИК ДИАПАЗОНА ВОЛН

January 2, 2013 by admin Комментировать »

Смирнов к., Корнеев А., Минаева О., Дивочий А., Рубцова И., Антипов А., Рябчун С., Окунав О., Милостная И., Чулкова Г., Воронов Б., Каурова Н., Селезнев В., Коротецкая Ю., Гольцман Г. Московский педагогический государственный университет

г. Москва

тел.: +7(495)246 8899, e-mail: smirnov@scontel.ru

Аннотация – Представлены результаты исследований сверхпроводниковых однофотонных детекторов, изготовленных из ультратонкой пленки NbN. При температуре 2 К квантовая эффективность детекторов для видимого света (0.56 мкм) достигает 30-40 % – предела, ограниченного коэффициентом поглощения пленки. С ростом длины волны квантовая эффективность падает и составляет -20 % на длине волны 1.55 мкм и -0.02 % на 5.6 мкм. Минимальное значение скорости темпового счета составляет 2×10 ”с \ Временное разрешение детектора Qitter) – 35 пс. Детектор был успешно применен для диагностики интегральных микросхем методом PICA, а также перспективен для использования в системах квантовой криптографии.

I.                                       Введение

в видимом и ближнем ИК диапазоне волн традиционными однофотонными детекторами являются фотоумножители и лавинные диоды. Вместе с тем, их большая инерционность, высокий уровень темпового счета, ограничение рабочей области частот инициируют создание новых типов однофотонных детекторов. В настоящей работе представлены результаты исследований сверхпроводникового однофотонного детектора на основе ультратонкой пленки NbN (SSPD) [1,2].

II.                              Основная часть

SSPD представляет собой тонкопленочную наноструктуру, изготовленную из пленки NbN толщиной 4 нм. Пленка NbN наносится на сапфировую подложку толщиной 380 мкм методом реактивного магнетронного распыления на постоянном токе. Методами электронной литографии и ионного травления формируется активный элемент детектора – полоска сверхпроводника шириной 120 нм и длиной до 500 мкм в форме меандра, покрывающего площадку 10 мкм X 10 мкм. Фактор заполнения (отношение площади, занятой сверхпроводником, ко всей площади устройства) достигает 0.6 [3].

Принцип действия детектора основан на возникновении резистивной области в узкой сверхпроводящей полоске в результате совместного воздействия поглощенного фотона и транспортного тока близкого к критическому току распаривания электронов. SSPD работает при температуре Т существенно ниже критической температуры Тс: для NbN Тс=10-11 К, а рабочая температура детектора составляет 2- 4.2 К. Поглощение фотона приводит к формированию лавины квазичастиц и локальному подавлению сверхпроводимости в области размером в несколько десятков нанометров. В окрестностях образовавшейся нормальной области («горячего пятна») электрический ток перераспределяется, обтекая ее. В результате плотность тока в областях по бокам от «горячего пятна» начинает превышать критическую и всё сечение полоски переходит в нормальное состояние, что сопровождается появлением электрического сопротивления и напряжения [4]. В случае смещения детектора в режиме генератора напряжения и при появлении сопротивления структуры, транспортный ток в сверхпроводниковой полоске падает в несколько раз, и не вызывает саморазогрева детектора. В результате дальнейшего процесса диффузии горячих носителей концентрация квазичастиц в нормальной области ре- лаксирует к равновесному значению, и сверхпроводимость восстанавливается.

Амплитуда импульса фотооткпика NbN детектора определяется транспортным током детектора и составляет ~1 мВ. В отличие от лавинных диодов и фотоумножителей она практически не изменяется от импульса к импульсу, не зависит от энергии фотона и числа поглощенных фотонов. На длительность импульса существенное влияние оказывает величина кинетической индуктивности детектора [5]. Так, если на структурах длиной 10 мкм длительность импульса на половине высоты (FWHM) составляет 150 пс [6], то у SSPD в виде меандра, покрывающего площадку 10 мкм X 10 мкм с заполнением 0.6, длительность импульса достигает 10 не.

Рис. 1. Спектральная чувствительность SSPD при температуре 3 К;критическиО ток SSPD при 3 К составлял 29.7мкА.

Fig. 1. SSPD spectral sensitivity at 3.0 К temperature; the SSPD critical current at 3.0 К was 29.7 μΑ

Временная нестабильность переднего фронта импульса (jitter) составляет 35 пс, не зависимо от размеров SSPD, и в значительной мере определяется собственной нестабильностью измерительной аппаратуры [7].

Фотооткпик детектора исследовался как с непрерывными источниками – лазерными диодами, работающими на длинах волн 0.56, 0.67, 0.93, 1.26 и

1.55   мкм, так и с импульсным GaAs лазером, работающим на длине волны 0.85 мкм и имеющим длительность импульса 20 пс при частоте повторений до 100 кГц. Для исследования спектральной чувствительности в диапазоне 1 – 5.6 мкм использовался инфракрасный спектрометр ИКС-31. Излучение к SSPD подводилось как по оптоволокну (лазерные диоды), так и в свободном пространстве (монохроматор). Квантовая эффективность определялась измерением мощности излучения падающего на SSPD. На рис. 1 представлен результат измерения QE в диапазоне длин волн 1.2-5.6 мкм при температуре

3    К при различных отношениях транспортного тока lb к критическому току 1с. Режим однофотонного детектирования наблюдался во всем диапазоне как минимум до длины волны 5.6 мкм. С практической точки зрения наиболее интересны телекоммуникационные длины волн 1.3 и 1.55 мкм. На длине волны 1.3 мкм QE достигает 20 % при температуре 3 К и возрастает до 30 % с понижением температуры до 2 К. На длине волны 1.55 мкм при температуре 2 К QE достигает 17 %. На длине волны 5.6 мкм при температуре 3 К квантовая эффективность составляет -0.02 %, что делает SSPD единственным практическим однофотонным детектором в среднем ИК. В видимом диапазоне QE достигает предельных значений 30 %-40 %, ограниченных коэффициентом поглощения пленки.

Скорость темпового счета экспоненциально зависит от транспортного тока, падая от величины ” при /Ь//с=1 до минимального измеренного значения 2х10“"’с“”при /Ь//с=0.89, которое ограничивалось временем эксперимента: накопление даже нескольких отсчетов требовало около 8 часов.

III.                                  Заключение

в заключение отметим, что SSPD был успешно применен в промышленной установке для тестирования КМОП интегральных микросхем методом PICA [8, 9]. Применение SSPD позволило существенно повысить чувствительность установки и снизить время тестирования.

В настоящее время нами ведутся разработки матричного SSPD приемника. Уже созданы матрицы размером 2×2 элемента, не уступающие по характеристикам одноэлементным SSPD [10]. Высокая скорость счета SSPD позволяет реализовать съём сигнала с матрицы методом временного мультиплексирования.

Интегрирование SSPD с просветляющим покрытием и четвертьволновым резонатором дает возможность дальнейшего увеличения квантовой эффективности детектора до -80 % на длине волны

1.55   мкм [11].

Разработанная методика оптического согласования SSPD с одномодовым оптоволокном, позволила создать на основе SSPD двухканальный коррелятор с рекордными характеристиками [12].

IV.                           Список литературы

[1]  G. Gol’tsman etal, Appl. Phys. Lett., 2001 79 p. 705

[2]  A. Verevkin etal, Appl. Phys. Lett., 2002, 80(25), p.4687

[3]  G. N. Gol’tsman et al, IEEE Trans, on Appl. Supercond., 2003, 13, NO. 2, p.192.

[4]  A. Semenov et al, Physlca C, 2001, 352, p. 349

[5]  A. Kerman et al, Kinetic-inductance-limited reset time of superconducting nanowire photon counters, submitted to Appl. Phys. Lett., препринт доступен на http://arxiv. org/abs/physics/0510238

[6]  A. Korneev etal, Microelectronic Engineering, Elsevier,

2003,        69, pp. 274-278

[7]  Jin Zhang etal, IEEE Trans, on Appl. Supercond., 2003, 13, NO. 2, p.180.

[8]  S. Somani et al, J. Vac. Sci. Technol. B, 2001, 19, (6), p. 2766

[9]  J. Zhang et al, Elect. Lett. 2003, 39, 1086

[10]S. A. Ryabchun et al, in proceedings for the 15th International Symposium on Space Terahertz Technology (http://www.stt2004.org/proceedings/session7/session7_pa perbw12_rev1_Article.pdf)

[11]/. Miiostnaya, etal, Superconducting single-photon detectors designed for operation at 1.55-цт telecommunication wavelength, presented at EUCAS’05, to be published in Journal of Physics: Conference Series

[12]O. Okunev et al.. Proceedings of 2"” International conference on advanced optoelectronics and lasers (CAOL), pp. 282-285, 2005, 12-17 September, Yalta, Crimea, Ukraine.

SUPERCONDUCTING SINGLE-PHOTON DETECTOR FOR NEAR- AND MIDDLE IR WAVELENGTH RANGE

K. Smirnov, A. Korneev, O. Minaeva, A. Divochi],

I. Rubtsova, A. Antipov, S. Ryabchun, O. Okunev,

I. Miiostnaya, G. Chulkova, B. Voronov, N. Kaurova,

V. Seleznev, Yu. Korotetskaya, G. Gol’tsman Moscow State Pedagogical University

Malaya Pirogovskaya, 1, Moscow, 119992, Russia

Ph.: +7(495)2468899, e-mail: smirnov@scontel.ru

Abstract – Presented in this paper are the results of research of NbN-film superconducting single-photon detector. At 2 К temperature, quantum efficiency in the visible light (0.56цт) reaches 30-40 %. With the wavelength increase quantum efficiency decreases and comes to ~20 % at 1.55 цт and ~0.02 % at 5.6 цт. Minimum dark counts rate is 2×10 ”s \ The jitter of detector is 35 ps. The detector was successfully implemented for integrated circuits non-invasive optical testing. It is also perspective for quantum cryptography systems.

I.                                         Introduction

We present the novel type of single photon detector – superconducting single-photon detector (SSPD) made of 4-nm- thick NbN film [1,2].

II.                                        Main Part

The SSPD is patterned from NbN film deposited on sapphire substrate as a meander-shaped strip covering the area of 10 цт X 10 цт. The strip width is 120 nm whereas its length is up to 500 цт [3].

The SSPD response is produced due to a cumulative effect of local hot-spot formation after photon absorption and super current close to the strip critical current Ic [4].

The photo-response voltage pulse amplitude is ~1 mV and depends neither on photon energy nor on the number of absorbed photons. Response duration is significantly affected by the strip kinetic inductance [5], I. e. for 10-цт-1опд strip the FWHM was 150 ps [6], for 500-цт-1опд strip it is about several nanoseconds.

In fig.1 spectral sensitivity of SSPD is presented. Although at 3 К temperature it has quantum efficiency (QE) 20 %, at 1.3 цт wavelength it can be increased up to 30 % (at 1.3 цт) and 17 % (at 1.55 цт) by lowering the temperature to 2 K. A single-photon response was observed at least up to 5.6-цт wavelength. With QE-0.02 % at 5.6-цт the SSPD is the only practical detector in the middle infrared.

The dark counts rate exponentially decreases with the SSPD current decrease. The minimum value of 2×10’Was measured at the ratio of transport current lb to the critical current Ic equal to 0.89 and was limited by the time of experiment.

III.                                       Conclusion

The SSPD was successfully implemented for integrated circuits optical debug with PICA method [8, 9]. We have also developed SSPD coupling to single-mode optical fiber and designed two-channel optical correlator system with 2 SSPDs and record-breaking performances [12].

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты