Смирнов к, Корнєєв А, Мінаєва О, дівочила А, Рубцова І, Антіпов А, Рябчун С, занурюємо О, Мілостная І, Чулкова Г, Воронов Б, Каурова Н, Селезньов У , Коротецька Ю, Гольцман Г Московський педагогічний державний університет

м Москва

тел: +7 (495) 246 8899, e-mail: smirnov@scontelru

Анотація – Представлені результати досліджень надпровідникових одинфотонних детекторів, виготовлених з ультратонкої плівки NbN При температурі 2 К квантова ефективність детекторів для видимого світла (056 мкм) досягає 30-40% – межі, обмеженого коефіцієнтом поглинання плівки З ростом довжини хвилі квантова ефективність падає і становить -20% на довжині хвилі 155 мкм і -002% на 56 мкм Мінімальне значення швидкості темпового рахунку складає 2×10′ с \ Тимчасовий дозвіл детектора Qitter) – 35 пс Детектор був успішно застосований для діагностики інтегральних мікросхем методом PICA, а також перспективний для використання в системах квантової криптографії

I                                       Введення

у видимому і ближньому ІЧ діапазоні хвиль традиційними однофотонні детекторами є фотопомножувачі і лавинні діоди Разом з тим, їх велика інерційність, високий рівень темпового рахунки, обмеження робочій області частот ініціюють створення нових типів одинфотонних детекторів У даній роботі представлені результати досліджень сверхпроводникового однофотонного детектора на основі ультратонкої плівки NbN (SSPD) [1,2]

II                              Основна частина

SSPD являє собою тонкопленочную наноструктуру, виготовлену з плівки NbN товщиною 4 нм Плівка NbN наноситься на сапфірове підкладку товщиною 380 мкм методом реактивного магнетронного розпилення на постійному струмі Методами електронної літографії та іонного травлення формується активний елемент детектора – смужка надпровідника шириною 120 нм і довжиною до 500 мкм у формі меандру, що покриває майданчик 10 мкм X 10 мкм Фактор заповнення (відношення площі, зайнятої сверхпроводником, до всієї площі пристрої) досягає 06 [3]

Принцип дії детектора заснований на виникненні резистивної області у вузькій сверхпроводящей смужці в результаті спільного впливу поглиненого фотона і транспортного струму близького до критичного току розпарювання електронів SSPD працює при температурі Т істотно нижче критичної температури Тс: для NbN Тс = 10-11 К, а робоча температура детектора становить 2 – 42 К Поглинання фотона призводить до формування лавини квазічастинок і локальному придушення надпровідності в області розміром в декілька десятків нанометрів В околицях утворилася нормальної області («гарячого плями») електричний струм перерозподіляється, обтікаючи її У результаті щільність струму в областях з боків від «гарячого плями» починає перевищувати критичну і все перетин смужки переходить в нормальний стан, що супроводжується появою електричного опору і напруги [4] У разі зміщення детектора в режимі генератора напруги і при появі опору структури, транспортний струм в надпровідникової смужці падає в кілька разів, і не викликає саморазогрева детектора У результаті подальшого процесу дифузії гарячих носіїв концентрація квазічастинок в нормальній області ре-лаксірует до рівноважного значення, і надпровідність відновлюється

Амплітуда імпульсу фотооткпіка NbN детектора визначається транспортним струмом детектора і складає ~ 1 мВ На відміну від лавинних діодів і фотопомножувачів вона практично не змінюється від імпульсу до імпульсу, не залежить від енергії фотона і числа поглинених фотонів На тривалість імпульсу істотний вплив робить величина кінетичної індуктивності детектора [5] Так, якщо на структурах довжиною 10 мкм тривалість імпульсу на половині висоти (FWHM) складає 150 пс [6], то у SSPD у вигляді меандру, що покриває майданчик 10 мкм X 10 мкм із заповненням 06, тривалість імпульсу досягає 10 ні

Рис 1 Спектральна чутливість SSPD при температурі 3 К Критично ток SSPD при 3 До становив 297мкА

Fig 1 SSPD spectral sensitivity at 30 До temperature the SSPD critical current at 30 До was 297 μΑ

Тимчасова нестабільність переднього фронту імпульсу (jitter) складає 35 пс, не залежно від розмірів SSPD, і значною мірою визначається власної нестабільністю вимірювальної апаратури [7]

Фотооткпік детектора досліджувався як з безперервними джерелами – лазерними діодами, які працюють на довжинах хвиль 056, 067, 093, 126 і

155 мкм, так і з імпульсним GaAs лазером, працюючим на довжині хвилі 085 мкм і мають тривалість імпульсу 20 пс при частоті повторень до 100 кГц Для дослідження спектральної чутливості в діапазоні 1 – 56 мкм використовувався інфрачервоний спектрометр ІКС-31 Випромінювання до SSPD підводилося як по оптоволокну (лазерні діоди), так і у вільному просторі (монохроматор) Квантова ефективність визначалася виміром потужності випромінювання падаючого на SSPD На рис 1 представлений результат вимірювання QE в діапазоні довжин хвиль 12-56 мкм при температурі

3 До при різних відносинах транспортного струму lb до критичного току 1с Режим однофотонного детектування спостерігався у всьому діапазоні як мінімум до довжини хвилі 56 мкм З практичної точки зору найбільш цікаві телекомунікаційні довжини хвиль 13 і 155 мкм На довжині хвилі 13 мкм QE досягає 20% при температурі 3 К і зростає до 30% з пониженням температури до 2 К На довжині хвилі 155 мкм при температурі 2 К QE досягає 17% На довжині хвилі 56 мкм при температурі 3 До квантова ефективність становить -002%, що робить SSPD єдиним практичним однофотонні детектором в середньому ІК У видимому діапазоні QE досягає граничних значень 30% -40%, обмежених коефіцієнтом поглинання плівки

Швидкість темпового рахунки експоненціально залежить від транспортного струму, падаючи від величини’ при / Ь / / с = 1 до мінімального виміряного значення 2х10 ” з ” при / Ь / / с = 089, що обмежувалося часом експерименту: накопичення навіть декількох відліків вимагало близько 8 годин

III                                  Висновок

на закінчення відзначимо, що SSPD був успішно застосований в промисловій установці для тестування КМОП інтегральних мікросхем методом PICA [8, 9] Застосування SSPD дозволило істотно підвищити чутливість установки і знизити час тестування

В даний час нами ведуться розробки матричного SSPD приймача Вже створені матриці розміром 2×2 елемента, що не поступаються за характеристиками одноелементна SSPD [10] Висока швидкість рахунку SSPD дозволяє реалізувати зїм сигналу з матриці методом тимчасового мультиплексування

Інтегрування SSPD з покриттям і чвертьхвильові резонатором дає можливість подальшого збільшення квантової ефективності детектора до -80% на довжині хвилі

155 мкм [11]

Розроблена методика оптичного узгодження SSPD з одномодовим оптоволокном, дозволила створити на основі SSPD двоканальний коррелятор з рекордними характеристиками [12]

IV                           Список літератури

[1]  G Goltsman etal, Appl Phys Lett, 2001 79 p 705

[2]  A Verevkin etal, Appl Phys Lett, 2002, 80(25), p4687

[3]  G N Goltsman et al, IEEE Trans, on Appl Supercond, 2003, 13, NO 2, p192

[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 доступний 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, p180

[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://wwwstt2004org/proceedings/session7/session7_pa perbw12_rev1_Articlepdf)

[11] / Miiostnaya, etal, Superconducting single-photon detectors designed for operation at 155-ЦТ telecommunication wavelength, presented at EUCAS05, to be published in Journal of Physics: Conference Series

[12]O Okunev et al. Proceedings of 2&quot” 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 Goltsman Moscow State Pedagogical University

Malaya Pirogovskaya, 1, Moscow, 119992, Russia

Ph: +7(495)2468899, e-mail: smirnov@scontelru

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 (056цт) reaches 30-40% With the wavelength increase quantum efficiency decreases and comes to ~ 20% at 155 ЦТ and ~ 002% at 56 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 fig1 spectral sensitivity of SSPD is presented Although at 3 До temperature it has quantum efficiency (QE) 20%, at 13 ЦТ wavelength it can be increased up to 30% (at 13 ЦТ) and 17% (at 155 ЦТ) by lowering the temperature to 2 K A single-photon response was observed at least up to 56-ЦТ wavelength With QE-002% at 56-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 2x10Was measured at the ratio of transport current lb to the critical current Ic equal to 089 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]

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р