對鈮/鋁超導(dǎo)納米線單光子探測器（SNSPD）的光耦合結(jié)構(gòu)和性能表征進(jìn)行了研究。通過濺射與剝離的方法制作了超薄鈮/鋁SNSPD,設(shè)計了帶有激光準(zhǔn)直器的光耦合結(jié)構(gòu)和封裝方法,并搭建了可靠的低溫測試系統(tǒng)。在700m K下表征了SNSPD的直流特性,得到了單光子響應(yīng)脈沖和1550nm波長下的探測效率,并研究了探測效率和暗計數(shù)率與偏置電流的關(guān)系。 

【文章來源】：低溫與超導(dǎo). 2014,42(11)北大核心

【文章頁數(shù)】：4 頁

【部分圖文】：

探測器的版圖和掃描電鏡圖

2測試系統(tǒng)與光耦合結(jié)構(gòu)文中使用的Nb/AlSNSPD是通過濺射與剝離的方法制備的［6］。Nb厚度5nm，Al厚度3nm，樣品大小4×4μm2，線寬100nm，如圖1所示。圖1探測器的版圖和掃描電鏡圖Fig．1LayoutandSEMofSNSPD測試系統(tǒng)圍繞He3制冷機(jī)搭建。He3制冷機(jī)分四級溫區(qū)，可提供最低300mK的低溫環(huán)境，裝有64路直流測試線路，4路微波測試線路，搭配2路光纖接口。圖2是整個測試系統(tǒng)的示意圖。實驗中通過電壓源串聯(lián)大電阻的方式提供穩(wěn)定的偏置電流，由Bias－T的DC端輸入。高頻脈沖響應(yīng)信號則由Bias－T的ＲF端輸出，并經(jīng)過微波放大器放大后輸出到示波器和計數(shù)器。用示波器觀察光響應(yīng)脈沖，用計數(shù)器獲得計數(shù)率，從而計算探測效率。實驗中的脈沖光源通過聲光調(diào)制器調(diào)制連續(xù)激光器產(chǎn)生，調(diào)制信號由波形發(fā)生器產(chǎn)生。為了實現(xiàn)單光子探測，必須在光路上加上可調(diào)的衰減器。圖2測試系統(tǒng)框圖Fig．2Schematicofmeasurementsystem為了對器件進(jìn)行可靠方便的測量，我們設(shè)計了一種封裝結(jié)構(gòu)，如圖3所示。樣品盒底部制作一個凹槽剛好放入樣品，將樣品的焊盤通過引線鍵合到SMA接頭作為讀出。盒蓋上裝有光纖準(zhǔn)直器，并使透鏡中心與樣品中心同軸。實驗中采用的準(zhǔn)直器腰斑直徑0．9mm，這樣可以確保有光照射到樣品上。經(jīng)過該準(zhǔn)直器的光束發(fā)散角θ=0．12°，可近似認(rèn)為是平行光。光場分布遵循基模高斯分布［7］:E00(x，y，z)=(C00/w0)exp［－(x2+y2)/w20］(1)這里c是常系數(shù)，w0是束腰半徑，x，y表示樣品的位置，如圖4所示。由于經(jīng)過準(zhǔn)直器后的激光光斑比樣品大得多，因此引入了一個很大的衰減。假設(shè)樣品與準(zhǔn)直器同軸放置(樣品中心在光軸上)，可以計算出準(zhǔn)直器到樣品耦合的衰減為－46dB。但是實際中因為機(jī)

從而將光強(qiáng)調(diào)節(jié)至單光子水平。圖3準(zhǔn)直器與樣品盒Fig．3Collimatorandpackage圖4器件的位置和激光經(jīng)過準(zhǔn)直器后的光場分布Fig．4LocationofSNSPDanddistributionoflightfieldaftercollimator圖5計數(shù)率與入射光子數(shù)的關(guān)系，插圖為單個光響應(yīng)脈沖Fig．5Ｒelationsbetweencountrateandphotonnumber/pulse3結(jié)果與討論實驗中所用SNSPD在700mK下的超導(dǎo)臨界電流Ic=20μA，偏置電流由電壓源串聯(lián)一個10kΩ的大電阻提供，因此相當(dāng)于臨界電壓Vc=0．16V。將溫度固定在700mK，將電壓源偏置在0．145V，即相當(dāng)于Ibias=0．73Ic。用波形發(fā)生器產(chǎn)生重復(fù)率20kHz脈寬固定5μs的激光。將響應(yīng)脈沖信號輸出到計數(shù)器，在一段時間內(nèi)統(tǒng)計響應(yīng)個數(shù)。之后調(diào)節(jié)衰減器并按同樣方法計數(shù)。由于相干光子數(shù)的泊松分布，相同光強(qiáng)時每個脈沖激光包含的光子數(shù)并不一定相同，但可以根據(jù)光強(qiáng)計算單個光脈沖包含的平均光子數(shù)。畫出計數(shù)率Ｒ與單個脈沖平均光子數(shù)μ的散點圖，如圖5所示，明顯看出計數(shù)率隨光強(qiáng)增大而增大，使用公式擬合［8－9］，Ｒ=D+f(1－exp)(－ημ)(2)其中f表示光脈沖重復(fù)率，即f=20kHz;D表示暗記數(shù)，在該偏置下測得D=3．6Hz;η表示探測·66·超導(dǎo)技術(shù)Superconductivity第11期


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