RU2641621C2

RU2641621C2 - Ultrafast and ultrasensitive hybrid superconducting waveguide single-photon detector with low dark count rate

Info

Publication number: RU2641621C2
Application number: RU2015146821A
Authority: RU
Inventors: Вадим Викторович Ковалюк; Роман Викторович Ожегов; Михаил Сергеевич Елезов; Иван Васильевич Третьяков; Павел Павлович Ан; Евгения Витальевна Зубкова; Григорий Наумович Гольцман
Priority date: 2015-10-30
Filing date: 2015-10-30
Publication date: 2018-01-18
Also published as: RU2015146821A

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: ultrafast and ultrasensitive hybrid superconducting waveguide single-photon detector with a low dark count rate includes a sensitive nanowire from a superconducting NbN film located on a nanowave guide SiN, and a protective dielectric-metallic coating consisting of an SiOdielectric layer and a layer of Al metal deposited over the nanowire.EFFECT: providing the possibility of reducing false triggering of a superconducting single-photon waveguide detector and increasing the sensitivity of the superconducting single-photon waveguide detector.3 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для регистрации одиночных фотонов видимого и инфракрасного диапазонов и может быть использовано в системах оптической волоконной связи на больших расстояниях, в телекоммуникационных технологиях, в системах интегральной оптики и нанофотоники, в системах защиты передаваемой информации с помощью систем квантовой криптографии, в диагностике и тестировании больших интегральных схем (БИС) в электронике, в спектроскопии одиночных молекул, в анализе излучения квантовых точек в полупроводниковых наноструктурах, в астрономии, медицине, в разработке квантовых компьютеров и в IT-сфере оптических процессоров.The invention relates to devices for detecting single photons in the visible and infrared ranges and can be used in optical fiber communication systems over long distances, in telecommunication technologies, in integrated optics and nanophotonics systems, in the protection of transmitted information using quantum cryptography systems, in diagnostics and testing of large integrated circuits (LSI) in electronics, in the spectroscopy of single molecules, in the analysis of quantum dot radiation in semiconductor nanostructures structures, in astronomy, medicine, in the development of quantum computers and in the IT field of optical processors.

Патентный поиск проводился по ключевым словам и рубрикам МПК по странам: США, Россия, Япония, Европейское Сообщество. При проведении патентного поиска использовались Web-сайты стран поиска и патентный фонд Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.Patent search was carried out by keywords and IPC categories by countries: USA, Russia, Japan, European Community. When conducting a patent search, the websites of the countries of search and the patent fund of the Federal Service for Intellectual Property, Patents and Trademarks were used.

Из открытых источников был найден Патент US 6218657 (опубликован 17.04.2001, G01J 1/46), который предлагает использовать лавинный фотодиод в затворном режиме для обнаружения оптического пульса, содержащего небольшое количество фотонов, как часть квантово-криптографической системы.From open sources, Patent US 6218657 (published 04.17.2001, G01J 1/46) was found, which proposes to use an avalanche photodiode in shutter mode to detect an optical pulse containing a small number of photons as part of a quantum cryptographic system.

Параметры полупроводниковых лавинных фотодиодов не позволяют достичь предельно низких значений ошибок квантово-криптографических систем в отличие от предлагаемых систем на основе сверхпроводниковых однофотонных детекторов SSPD.The parameters of semiconductor avalanche photodiodes do not allow reaching extremely low error values of quantum cryptographic systems, in contrast to the proposed systems based on superconducting single-photon SSPD detectors.

Патент US 7616904 В1 (опубликован 28.07.2011, G01J 1/36, G02B 6/10). Германий в кремниевом волноводе, расположенном на кремний/изолятор подложке. Фотодетектор встроен в кремний планарного волновода на подложке. Фотодетектор генерирует электрический ток при прохождении инфракрасного излучения сигнала через фотодетектор.US patent 7616904 B1 (published on July 28, 2011, G01J 1/36, G02B 6/10). Germanium in a silicon waveguide located on a silicon / insulator substrate. A photodetector is embedded in a silicon planar waveguide on a substrate. The photodetector generates an electric current when infrared radiation of the signal passes through the photodetector.

Реализация подобной схемы сопряжена с принципиальными технологическими трудностями, не позволяющими достичь приемлемых показателей по квантовой эффективности, быстродействию и скорости темнового счета.The implementation of such a scheme is fraught with fundamental technological difficulties that do not allow achieving acceptable indicators of quantum efficiency, speed and speed of dark counting.

Патент WO 2014026724 А1 (опубликован 20.02.2014; G01J 1/36, G02B 6/10) - спектрометр с однофотонным сверхпроводниковым детектором на одном чипе. Изобретение описывает интегрированное гибрид нанофотонно-сверхпроводникового устройства, которое работает как сканирующий спектрометр с однофотонным разрешением и пикосекундным временным разрешением. Устройство реализовано на одном чипе и оптически соединено с помощью оптических волокон, таким образом совместимо с системой оптического изображения через согласующие оптоволоконные порты.Patent WO 2014026724 A1 (published on 02.20.2014; G01J 1/36, G02B 6/10) is a spectrometer with a single-photon superconductor detector on a single chip. The invention describes an integrated hybrid of a nanophotonic superconductor device that operates as a scanning spectrometer with single-photon resolution and picosecond time resolution. The device is implemented on a single chip and is optically connected using optical fibers, thus compatible with the optical image system via matching fiber ports.

Наиболее близкий аналог описан в патенте US 20140299751 А1 (09.10.2014, G02B 6/02, G01J 1/04, G02B 6/12) - однофотонный сверхпроводниковый детектор на диэлектрическом волноводе. Изобретение описывает интегрированное гибрид нанофотонно-сверхпроводникового устройства, которое работает как счетчик одиночных фотонов телекоммуникационной длины волны, распространяющихся внутри диэлектрического волновода.The closest analogue is described in patent US 20140299751 A1 (09.10.2014, G02B 6/02, G01J 1/04, G02B 6/12) - a single-photon superconducting detector on a dielectric waveguide. The invention describes an integrated hybrid nanophotonic superconductor device that operates as a counter of single photon telecommunication wavelengths propagating inside a dielectric waveguide.

Ближайший аналог изобретения включает в себя подложку из кремния с подслоем SiO₂, нановолновод Si₃N₄ (см. фиг. 1). Два нанопровода расположены параллельно друг другу вдоль нановолновода прямо на нем. Нанопровод представляет собой фоточувствительную полоску шириной 100 нм, изготовленную из сверхпроводниковой пленки NbN толщиной 4 нм. Для снятия сигнала к нанопроводам подводятся золотые контактные площадки (см. фиг. 2).The closest analogue of the invention includes a silicon substrate with a SiO ₂ sublayer, Si ₃ N ₄ nanowaveguide (see Fig. 1). Two nanowires are parallel to each other along the nanowave directly on it. A nanowire is a photosensitive strip 100 nm wide, made of a 4 nm thick NbN superconductor film. To remove the signal, gold contact pads are fed to the nanowires (see Fig. 2).

В рабочем режиме детектор имеет температуру ниже температуры сверхпроводящего перехода (например, температура жидкого гелия 4,2 K).In the operating mode, the detector has a temperature below the temperature of the superconducting transition (for example, the temperature of liquid helium is 4.2 K).

При поглощении сверхпроводником фотона происходит разрушение куперовской пары. Сверхпроводимость на короткое время подавляется в малой по сравнению с шириной части полоски, и образуется «горячее пятно». В этой области появляется сопротивление, величина которого соответствует сопротивлению пленки, из которой выполнена полоска, в нормальном состоянии. Если в это время через полоску пропущен ток, близкий к критическому току распаривания, то происходит его перераспределение по оставшейся в сверхпроводящем состоянии части пленки, и величина плотности тока в сверхпроводящей области начинает превышать критическую. В результате все сечение полоски переходит в нормальное состояние, и в детекторе появляется электрическое сопротивление, которое сопровождается импульсом напряжения.When a photon is absorbed by a superconductor, a Cooper pair is destroyed. Superconductivity is suppressed for a short time in a small part of the strip compared to the width, and a "hot spot" is formed. In this area, a resistance appears, the value of which corresponds to the resistance of the film from which the strip is made, in the normal state. If at this time a current close to the critical depairing current is passed through the strip, then it redistributes over the part of the film remaining in the superconducting state, and the current density in the superconducting region begins to exceed the critical value. As a result, the entire cross section of the strip goes into a normal state, and an electrical resistance appears in the detector, which is accompanied by a voltage pulse.

Так же, как в ближайшем аналоге, для получения высокой чувствительности в видимом и инфракрасном диапазонах волн чувствительный элемент представляет собой полоску из тонкой пленки сверхпроводника NbN, идущего вдоль нановолновода туда и обратно. Толщина пленки полоски выполнена порядка длины когерентности, а ширина полоски - меньше глубины проникновения магнитного поля.As in the closest analogue, in order to obtain high sensitivity in the visible and infrared wavelength ranges, the sensitive element is a strip of a thin film of NbN superconductor going back and forth along the nanowave. The thickness of the strip film is of the order of the coherence length, and the strip width is less than the penetration depth of the magnetic field.

При указанном размере полоски величина критического тока Ic составляет около 20 мкА при температуре 4.2 К. Величина транспортного тока составляет 0.8-0.9 от Ic.At the indicated strip size, the critical current Ic is about 20 μA at a temperature of 4.2 K. The value of the transport current is 0.8-0.9 of Ic.

Основным недостатком ближайшего аналога изобретения является то, что, благодаря используемой в изобретении топологии, детектор обладает высокой скоростью темнового счета. Высокая скорость темнового счета появляется в результате следующего:The main disadvantage of the closest analogue of the invention is that, due to the topology used in the invention, the detector has a high speed dark counting. High dark counting speed results from the following:

1. Собственные шумы детектора - ложные срабатывания, которые объясняются самим принципом работы детектора.1. Own noise of the detector - false alarms, which are explained by the very principle of the detector.

2. Внутренние шумы электронной аппаратуры.2. Internal noise of electronic equipment.

3. Темновые срабатывания могут происходить из-за фонового излучения от нагретых внутренних частей криогенного резервуара, попадающего непосредственно на детектор, минуя нановолновод.3. Dark alarms can occur due to background radiation from the heated internal parts of the cryogenic reservoir, which directly hits the detector, bypassing the nanowaveguide.

Основной вклад в скорость темнового счета вносит фоновое излучение, поэтому решаемой задачей изобретения является защита чувствительной части сверхпроводникового однофотонного детектора от фонового излучения нагретых внутренних частей криогенного резервуара.The main contribution to the speed of the dark counting is made by background radiation, therefore, the solvable task of the invention is to protect the sensitive part of the superconducting single-photon detector from the background radiation of the heated internal parts of the cryogenic reservoir.

Техническим результатом является:The technical result is:

- уменьшение темновых (ложных) срабатываний сверхпроводникового однофотонного волноводного детектора;- reduction of dark (false) responses of a superconducting single-photon waveguide detector;

- увеличение чувствительности сверхпроводникового однофотонного волноводного детектора.- increase the sensitivity of a superconducting single-photon waveguide detector.

Новым в разработанном способе является то, что для уменьшения темновых срабатываний используется защитное диэлектрико-металлическое покрытие (фиг. 3) сверхпроводникового однофотонного волноводного детектора. В качестве основных материалов диэлектрико-металлическое покрытие использует диэлектрик SiO₂ и металл Al.New in the developed method is that a protective dielectric-metal coating (Fig. 3) of a superconducting single-photon waveguide detector is used to reduce dark responses. As the main materials, the dielectric-metal coating uses a dielectric SiO ₂ and metal Al.

Claims

Сверхбыстрый и сверхчувствительный гибридный сверхпроводниковый нановолноводный однофотонный детектор с низкой скоростью темнового счета, включающий в себя чувствительный нанопровод из сверхпроводниковой пленки NbN, расположенный на нановолноводе Si₃N₄, и защитное диэлектрико-металлическое покрытие, состоящее из слоя диэлектрика SiO₂ и слоя металла Al, нанесенного поверх нанопровода.An ultra-fast and ultra-sensitive hybrid superconducting nanowaveguide single-photon detector with a low dark count rate, including a sensitive nanowire of a NbN superconductor film located on a Si ₃ N ₄ nanowave, and a protective dielectric-metal coating consisting of a SiO ₂ dielectric layer and an Al metal layer, deposited over the nanowire.