中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
超導納米線(xiàn)單光子探測器（SNSPD）優(yōu)異的時(shí)間特性（時(shí)間抖動(dòng)和響應速度）是其最具吸引力的優(yōu)勢之一，并且已在量子通信、量子計算等領(lǐng)域中得到廣泛應用。然而，由于SNSPD的各技術(shù)參數之間相互牽制，使得進(jìn)一步提升SNSPD綜合性能存在技術(shù)挑戰。小光敏面SNSPD在時(shí)間特性上具有明顯優(yōu)勢，但同時(shí)存在探測效率低的突出問(wèn)題。
近期，中國科學(xué)院上海微系統與信息技術(shù)研究所和中國科學(xué)院超導電子學(xué)卓越創(chuàng )新中心的聯(lián)合科研團隊在《物理學(xué)報》期刊上發(fā)表了以“高綜合性能超導納米線(xiàn)單光子探測器”為主題的文章。該文章第一作者為郗玲玲，通訊作者為楊曉燕高級工程師和李浩研究員，楊曉燕主要從事超導電子學(xué)領(lǐng)域的研究工作，李浩主要從事超導單光子探測技術(shù)及應用的研究工作。
本文為面向量子信息應用的光纖耦合探測器，從開(kāi)發(fā)實(shí)用化、產(chǎn)品化SNSPD出發(fā)，采用批量對準、高效耦合的自對準封裝結構，圍繞小光敏面自對準SNSPD綜合性能的提升展開(kāi)研究。
器件的設計、制備、封裝
器件結構設計
設計的器件結構如圖1（a）所示，最上方是由雙層NbN超導薄膜刻蝕而成的納米線(xiàn)，其下方是由SiO?與Au組成的光學(xué)結構， 最下層是厚度為0.4 mm的Si襯底。其中NbN的單層膜厚為6.5 nm，兩層之間通過(guò)3 nm的SiO?阻隔，線(xiàn)寬/周期為75 nm/160 nm。相對常規單層納米線(xiàn)而言， 雙層納米線(xiàn)結構在提升SNSPD探測效率和時(shí)間特性上都有明顯優(yōu)勢：有效地打破由納米線(xiàn)厚度引起的光吸收率與本征效率的制約關(guān)系，使二者同時(shí)得到提升; 擁有更高的超導轉變電流和更小的動(dòng)態(tài)電感， 幫助小光敏面SNSPD進(jìn)一步優(yōu)化時(shí)間特性。在光學(xué)諧振腔的選擇上，采用Au/SiO?方案替代常用的DBR反射鏡。這是因為DBR反射鏡通常需要幾個(gè)微米的厚度才能實(shí)現高反射率，光在其中多次反射后發(fā)散較大，因而需要更大面積的探測器才能獲得良好的光學(xué)吸收。并且對于自對準SNSPD而言更重要的問(wèn)題是，工藝上刻蝕較厚的DBR反射鏡非常困難，這導致只能從背面完成自對準芯片外輪廓的光刻和刻蝕。受限于紫外曝光設備背面套刻精度，采用DBR反射鏡的自對準SNSPD很難縮小光敏面。而Au反射鏡厚度僅為納米量級，光束發(fā)散小; 而且容易刻蝕，可以從正面獲取自對準芯片外輪廓，極大地提升了曝光時(shí)的套刻精度， 更適合小光敏面自對準SNSPD。除此之外，Au反射鏡還擁有工藝容錯率高、制備簡(jiǎn)單、反射譜較寬等一系列優(yōu)勢。為使納米線(xiàn)在1310 nm入射波長(cháng)處達到最佳吸收效果并考慮光學(xué)腔的加工制備情況，仿真模型中的SiO?的厚度依照TSiO?=λ/（4n）（其中λ為入射光波長(cháng)，n為SiO?折射率）選取為210 nm，Au的厚度為65 nm。圖1（b）給出了利用有限元軟件（Comsol Multiphysis）對不同器件結構進(jìn)行光吸收仿真的情況。三條曲線(xiàn)分別表示在800-2000 nm波長(cháng)范圍內，無(wú)光學(xué)腔結構的單層NbN納米線(xiàn)（黑色）、包含金屬反射鏡結構的單層NbN納米線(xiàn)（藍色）和包含金屬反射鏡結構的雙層NbN納米線(xiàn)（紅色）的光吸收效率?？梢钥闯霰疚乃捎玫碾p層納米線(xiàn)和金屬反射鏡架構不僅在中心波長(cháng)1310 nm處具有極高的光吸收效率，并且在1000-1700 nm較寬的波長(cháng)范圍內均展示出效率超過(guò)90%的寬譜吸收特性。
圖1 （a）器件仿真模型；（b） 3種不同結構的納米線(xiàn)在入射光800-2000 nm波段的光吸收仿真情況
器件制備工藝
圖2展示了器件加工制備流程。其中Au薄膜由磁控濺射的方式生長(cháng)，構成光學(xué)腔的SiO?和作為中間絕緣層的SiO?均采用等離子體增強化學(xué)氣相沉積（PECVD）法制備，NbN薄膜則是由室溫直流磁控濺射法生長(cháng)。在制備完成所需薄膜后，除納米線(xiàn)條采用電子束光刻技術(shù)（EBL）曝光外，其余圖形均采用步進(jìn)式紫外光刻機曝光。利用曝光顯影后的光刻膠做掩膜，Au薄膜由離子束刻蝕法（IBE）刻蝕，SiO?和NbN采用反應離子刻蝕法（RIE）刻蝕。Si襯底通過(guò)電感耦合等離子體法（ICP）刻蝕后，單個(gè)的芯片呈現鎖孔形狀，其主體部分為與回形納米線(xiàn)同心的圓形，柄狀區域為引出的兩個(gè)電極。在此之中，Au反射鏡的制備和NbN薄膜生長(cháng)前平坦襯底的獲得是關(guān)鍵步驟。
圖2 器件加工工藝流程圖
Au反射鏡圖案的設計需要考慮3個(gè)方面。第一，芯片電極與外部引腳電連接時(shí)的打線(xiàn)力度不易控制，如果打穿SiO?層將會(huì )使納米線(xiàn)被下方Au膜短路，因而電極處不能有Au覆蓋；第二，在最后一步刻穿硅片獲得芯片時(shí)，Au是刻蝕阻擋層，因而芯片外輪廓處不能有Au覆蓋；第三，為了達到入射光在諧振腔中不斷反射再被納米線(xiàn)吸收的效果，Au應位于納米線(xiàn)正下方且面積不宜過(guò)小。在加工制備時(shí)，為了增大Au與上方SiO?、下方Si的粘附性，在A(yíng)u膜生長(cháng)前后，分別原位生長(cháng)5 nm的Ti薄膜。因此最終得到的金屬鏡為直徑200 μm，厚度75 nm的餅狀圖形。
圖3（a）、（b）是器件光敏區的掃描電子顯微鏡（SEM）圖和高倍率下的納米線(xiàn)細節圖，可以看到刻蝕后的納米線(xiàn)條平直度較好，這與EBL曝光時(shí)電子更容易導出有關(guān)。圖3（c）是器件截面的透射電子顯微鏡（TEM）圖，其中Au上方SiO?厚度為204 nm，與設計值210 nm有少量出入。這與測量時(shí)橢偏儀的擬合誤差有關(guān)，將會(huì )對1310 nm處器件的吸收效率帶來(lái)一定影響。
圖3 （a）器件光敏面SEM圖；（b）高度放大的NbN納米線(xiàn)SEM圖；（c）器件橫截面TEM圖
器件封裝
探測器光封裝模塊和電封裝模塊可拆分是采用自對準封裝的SNSPD可以實(shí)現批量化對光的原因。采用印刷線(xiàn)路板（PCB）作為基座以及電路連接模塊，通過(guò)引線(xiàn)鍵合的方式與芯片柄狀部分的電極連接，完成器件端的電封裝。光封裝采用光纖插芯、光纖套管、芯片圓形輪廓三者尺寸上的過(guò)盈配合而無(wú)需外接對準光源即可完成光纖出射光和芯片光敏面的對準，PCB板和光纖套管之間通過(guò)低溫膠固定。并且光纖插芯與光纖套管由同一材料（氧化鋯）制成，具有相同的熱膨脹系數，其在超導態(tài)所需的低溫下也能保證較高的準確度。為了進(jìn)一步提高探測器的光耦合效率，選取模場(chǎng)直徑6 μm的HI 1060 FLEX光纖來(lái)匹配12 μm的小尺寸光敏面，較細的纖芯也同時(shí)使探測器中與黑體輻射有關(guān)的暗計數得到降低。
圖4展示了未安裝光纖的自對準SNSPD器件。工作時(shí)，將探測器固定在16通道集成冷盤(pán)上并安置在基于GM制冷機工作的恒溫器的4 K冷區中，最低工作溫度為2.2 K。電信號通過(guò)PCB板上焊接的SMP電連接器連接至低溫系統同軸線(xiàn)，再與外部讀出電路連接。器件直流偏置依靠與恒壓源串聯(lián)的100 kΩ電阻提供。電脈沖信號由50 dB增益的放大器放大后，再由示波器/計數器完成信號采集。光信號由超連續激光器發(fā)射，經(jīng)過(guò)濾波器和光衰減器后接入光功率計，使特定波長(cháng)的入射光達到單光子水平。隨后接入偏振控制器調節入射光偏振態(tài)，最后與探測器芯片上方的小芯徑光纖相連即可連通光路。
圖4 封裝好的探測器芯片放置在恒溫器的4 K冷臺上
器件性能測試及結果分析
圖5所示為2.2 K溫度下，器件在0.1 MHz入射光，1310 nm和1550 nm波長(cháng)下的系統探測效率（SDE）和暗計數率（DCR）的測試結果。其中，實(shí)心曲線(xiàn)對應左軸SDE，空心曲線(xiàn)對應右軸DCR。在納米線(xiàn)達到飽和的本征效率時(shí)，1310 nm波長(cháng)下SDE為82%，1550 nm波長(cháng)下SDE為70%，DCR為70 cps。實(shí)驗中所測得的器件系統探測效率略低于仿真值，這是受由SiO?介質(zhì)層厚度和材料折射率差異造成的光吸收偏移，以及由光纖頭/套管/芯片外輪廓三者的同心度偏差造成的光耦合損失等多個(gè)因素共同影響。本工作還對器件的入射光子響應波段進(jìn)行表征，測試結果如圖5（b）所示，各個(gè)波長(cháng)下的SDE均為器件在22 μA偏置電流、2.2 K工作溫度下的測量值?？梢钥吹狡骷?064-1600 nm波段的SDE均達到60%以上，顯示其擁有較好的寬譜響應特性。在后續實(shí)驗中，將繼續優(yōu)化微納加工工藝和機械加工精度，進(jìn)一步提高小光敏面器件在較寬波段下的探測效率。
圖5 （a）器件探測效率和暗計數率隨偏置電流的變化曲線(xiàn)；（b）器件在入射光1064-1600 nm波段的探測效率
圖6反映出該探測器的響應速度情況。其中圖6（a）紅色曲線(xiàn)為器件經(jīng)50 dB放大后的脈沖響應波形。取信號下降至脈沖幅值的1/e時(shí)對應的橫坐標間隔為器件恢復時(shí)間，約為12.6 ns。圖6（b）紅色曲線(xiàn)為探測器的計數率曲線(xiàn)，隨著(zhù)光強的增大器件的探測效率不斷降低，效率降至最大值的50%時(shí)器件的計數率約為40 MHz@3 dB。
圖6 （a）12 μm光敏面器件和23 μm光敏面器件響應波形和恢復時(shí)間；（b）12 μm光敏面器件和23 μm光敏面器件歸一化探測效率隨入射光子數的變化曲線(xiàn)
圖7反映出該探測器的時(shí)間抖動(dòng)情況。利用時(shí)間相關(guān)單光子計數（TCPSC）系統和飛秒激光器，測得探測器脈沖到達時(shí)間的高斯統計圖，取其半高全寬為探測器的時(shí)間抖動(dòng)。圖7中紅色曲線(xiàn)展示了2.2 K溫度下，通過(guò)室溫放大器放大輸出信號時(shí)器件的抖動(dòng)值。當偏置電流處于飽和工作點(diǎn)22 μA時(shí)，12 μm光敏面器件的時(shí)間抖動(dòng)約為38 ps。該抖動(dòng)包含了電路噪聲以及放大器本身所帶來(lái)的時(shí)間抖動(dòng)分量。為了進(jìn)一步降低器件抖動(dòng)值，可以利用低溫放大器替代室溫放大器來(lái)降低讀出噪聲。將探測器置于0.86 K的溫度下并通過(guò)低溫放大器放大輸出信號，如圖7黑色曲線(xiàn)所示器件在偏置電流為28 μA時(shí)的時(shí)間抖動(dòng)值降至22 ps。
圖7 采用室溫放大器放大輸出信號時(shí)23 μm光敏面器件（藍）、12 μm光敏面器件（紅）的時(shí)間抖動(dòng)與采用低溫放大器放大輸出信號時(shí)12 μm光敏面器件（黑）的時(shí)間抖動(dòng)
作為對比，本文同時(shí)測試了2.2 K工作溫度下，23 μm光敏面雙層SNSPD器件的響應速度及時(shí)間抖動(dòng)。由圖6（a），（b）、圖7藍色曲線(xiàn)可以看出，相較于23 μm光敏面器件42 ns的恢復時(shí)間、20 MHz@3 dB的計數率、66 ps的時(shí)間抖動(dòng)，本文制備的小光敏面器件的響應速度和時(shí)間抖動(dòng)特性均有顯著(zhù)提升。
結論
本文基于現階段量子通信和量子計算領(lǐng)域對高效率、低抖動(dòng)、高速度的實(shí)用化單光子探測器的需求，設計了一種批量封裝的自對準SNSPD，并同時(shí)進(jìn)行了工藝加工和封裝結構上的優(yōu)化。所制備器件的性能表征顯示，在2.2 K的溫度下，在光通信常用的1310 nm以及1550 nm波長(cháng)處器件分別有著(zhù)82%和70%的系統探測效率，并且在1200-1600 nm波長(cháng)范圍內，系統探測效率均大于65%。器件恢復時(shí)間為12.6 ns，計數率達到40 MHz@3 dB。最優(yōu)時(shí)間抖動(dòng)僅為22 ps。后續將該探測器與優(yōu)化的讀出電路相配合，有望達到更加優(yōu)異的綜合性能，進(jìn)一步擴寬應用場(chǎng)景。
這項研究獲得國家自然科學(xué)基金（61971408、61827823、12033007）、上海市青年科技啟明星項目（20QA1410900）和中國科學(xué)院青年創(chuàng )新促進(jìn)會(huì )項目（2020241）的資助和支持。
