铌/铝SNSPD的光耦合结构和性能表征

发布时间：2021-06-22 10:14

　　对铌/铝超导纳米线单光子探测器（SNSPD）的光耦合结构和性能表征进行了研究。通过溅射与剥离的方法制作了超薄铌/铝SNSPD,设计了带有激光准直器的光耦合结构和封装方法,并搭建了可靠的低温测试系统。在700m K下表征了SNSPD的直流特性,得到了单光子响应脉冲和1550nm波长下的探测效率,并研究了探测效率和暗计数率与偏置电流的关系。 

【文章来源】：低温与超导. 2014,42(11)北大核心

【文章页数】：4 页

【部分图文】：

探测器的版图和扫描电镜图

2测试系统与光耦合结构文中使用的Nb/AlSNSPD是通过溅射与剥离的方法制备的［6］。Nb厚度5nm，Al厚度3nm，样品大小4×4μm2，线宽100nm，如图1所示。图1探测器的版图和扫描电镜图Fig．1LayoutandSEMofSNSPD测试系统围绕He3制冷机搭建。He3制冷机分四级温区，可提供最低300mK的低温环境，装有64路直流测试线路，4路微波测试线路，搭配2路光纤接口。图2是整个测试系统的示意图。实验中通过电压源串联大电阻的方式提供稳定的偏置电流，由Bias－T的DC端输入。高频脉冲响应信号则由Bias－T的ＲF端输出，并经过微波放大器放大后输出到示波器和计数器。用示波器观察光响应脉冲，用计数器获得计数率，从而计算探测效率。实验中的脉冲光源通过声光调制器调制连续激光器产生，调制信号由波形发生器产生。为了实现单光子探测，必须在光路上加上可调的衰减器。图2测试系统框图Fig．2Schematicofmeasurementsystem为了对器件进行可靠方便的测量，我们设计了一种封装结构，如图3所示。样品盒底部制作一个凹槽刚好放入样品，将样品的焊盘通过引线键合到SMA接头作为读出。盒盖上装有光纤准直器，并使透镜中心与样品中心同轴。实验中采用的准直器腰斑直径0．9mm，这样可以确保有光照射到样品上。经过该准直器的光束发散角θ=0．12°，可近似认为是平行光。光场分布遵循基模高斯分布［7］:E00(x，y，z)=(C00/w0)exp［－(x2+y2)/w20］(1)这里c是常系数，w0是束腰半径，x，y表示样品的位置，如图4所示。由于经过准直器后的激光光斑比样品大得多，因此引入了一个很大的衰减。假设样品与准直器同轴放置(样品中心在光轴上)，可以计算出准直器到样品耦合的衰减为－46dB。但是实际中因为机

从而将光强调节至单光子水平。图3准直器与样品盒Fig．3Collimatorandpackage图4器件的位置和激光经过准直器后的光场分布Fig．4LocationofSNSPDanddistributionoflightfieldaftercollimator图5计数率与入射光子数的关系，插图为单个光响应脉冲Fig．5Ｒelationsbetweencountrateandphotonnumber/pulse3结果与讨论实验中所用SNSPD在700mK下的超导临界电流Ic=20μA，偏置电流由电压源串联一个10kΩ的大电阻提供，因此相当于临界电压Vc=0．16V。将温度固定在700mK，将电压源偏置在0．145V，即相当于Ibias=0．73Ic。用波形发生器产生重复率20kHz脉宽固定5μs的激光。将响应脉冲信号输出到计数器，在一段时间内统计响应个数。之后调节衰减器并按同样方法计数。由于相干光子数的泊松分布，相同光强时每个脉冲激光包含的光子数并不一定相同，但可以根据光强计算单个光脉冲包含的平均光子数。画出计数率Ｒ与单个脉冲平均光子数μ的散点图，如图5所示，明显看出计数率随光强增大而增大，使用公式拟合［8－9］，Ｒ=D+f(1－exp)(－ημ)(2)其中f表示光脉冲重复率，即f=20kHz;D表示暗记数，在该偏置下测得D=3．6Hz;η表示探测·66·超导技术Superconductivity第11期


本文编号：3242655