超導納米線單光子探測器（SNSPD）優異的時間特性（時間抖動和響應速度）是其最具吸引力的優勢之一，并且已在量子通信、量子計算等領域中得到廣泛應用。然而，由于SNSPD的各技術參數之間相互牽制，使得進一步提升SNSPD綜合性能存在技術挑戰。小光敏面SNSPD在時間特性上具有明顯優勢，但同時存在探測效率低的突出問題。
據麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學院上海微系統與信息技術研究所和中國科學院超導電子學卓越創新中心的聯合科研團隊在《物理學報》期刊上發表了以“高綜合性能超導納米線單光子探測器”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領域的研究工作，李浩主要從事超導單光子探測技術及應用的研究工作。
本文為面向量子信息應用的光纖耦合探測器，從開發實用化、產品化SNSPD出發，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研究。
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，其下方是由SiO?與Au組成的光學結構， 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3 nm的SiO?阻隔，線寬/周期為75 nm/160 nm。相對常規單層納米線而言， 雙層納米線結構在提升SNSPD探測效率和時間特性上都有明顯優勢：有效地打破由納米線厚度引起的光吸收率與本征效率的制約關系，使二者同時得到提升; 擁有更高的超導轉變電流和更小的動態電感， 幫助小光敏面SNSPD進一步優化時間特性。在光學諧振腔的選擇上，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微米的厚度才能實現高反射率，光在其中多次反射后發散較大，因而需要更大面積的探測器才能獲得良好的光學吸收。并且對于自對準SNSPD而言更重要的問題是，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、制備簡單、反射譜較寬等一系列優勢。為使納米線在1310 nm入射波長處達到最佳吸收效果并考慮光學腔的加工制備情況，仿真模型中的SiO?的厚度依照TSiO?=λ/（4n）（其中λ為入射光波長，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）對不同器件結構進行光吸收仿真的情況。三條曲線分別表示在800-2000 nm波長范圍內，無光學腔結構的單層NbN納米線（黑色）、包含金屬反射鏡結構的單層NbN納米線（藍色）和包含金屬反射鏡結構的雙層NbN納米線（紅色）的光吸收效率。可以看出本文所采用的雙層納米線和金屬反射鏡架構不僅在中心波長1310 nm處具有極高的光吸收效率，并且在1000-1700 nm較寬的波長范圍內均展示出效率超過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，構成光學腔的SiO?和作為中間絕緣層的SiO?均采用等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）法制備，NbN薄膜則是由室溫直流磁控濺射法生長。在制備完成所需薄膜后，除納米線條采用電子束光刻技術（EBL）曝光外，其余圖形均采用步進式紫外光刻機曝光。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襯底通過電感耦合等離子體法（ICP）刻蝕后，單個的芯片呈現鎖孔形狀，其主體部分為與回形納米線同心的圓形，柄狀區域為引出的兩個電極。在此之中，Au反射鏡的制備和NbN薄膜生長前平坦襯底的獲得是關鍵步驟。
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個方面。第一，芯片電極與外部引腳電連接時的打線力度不易控制，如果打穿SiO?層將會使納米線被下方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，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吸收的效果，Au應位于納米線正下方且面積不宜過小。在加工制備時，為了增大Au與上方SiO?、下方Si的粘附性，在Au膜生長前后，分別原位生長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細節圖，可以看到刻蝕后的納米線條平直度較好，這與EBL曝光時電子更容易導出有關。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。這與測量時橢偏儀的擬合誤差有關，將會對1310 nm處器件的吸收效率帶來一定影響。
圖3 （a）器件光敏面SEM圖；（b）高度放大的NbN納米線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可以實現批量化對光的原因。采用印刷線路板（PCB）作為基座以及電路連接模塊，通過引線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盈配合而無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，其在超導態所需的低溫下也能保證較高的準確度。為了進一步提高探測器的光耦合效率，選取模場直徑6 μm的HI 1060 FLEX光纖來匹配12 μm的小尺寸光敏面，較細的纖芯也同時使探測器中與黑體輻射有關的暗計數得到降低。
圖4展示了未安裝光纖的自對準SNSPD器件。工作時，將探測器固定在16通道集成冷盤上并安置在基于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PCB板上焊接的SMP電連接器連接至低溫系統同軸線，再與外部讀出電路連接。器件直流偏置依靠與恒壓源串聯的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射，經過濾波器和光衰減器后接入光功率計，使特定波長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，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
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波長下的系統探測效率（SDE）和暗計數率（DCR）的測試結果。其中，實心曲線對應左軸SDE，空心曲線對應右軸DCR。在納米線達到飽和的本征效率時，1310 nm波長下SDE為82%，1550 nm波長下SDE為70%，DCR為70 cps。實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因素共同影響。本工作還對器件的入射光子響應波段進行表征，測試結果如圖5（b）所示，各個波長下的SDE均為器件在22 μA偏置電流、2.2 K工作溫度下的測量值。可以看到器件在1064-1600 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。在后續實驗中，將繼續優化微納加工工藝和機械加工精度，進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；（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）紅色曲線為器件經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時對應的橫坐標間隔為器件恢復時間，約為12.6 ns。圖6（b）紅色曲線為探測器的計數率曲線，隨著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
圖7反映出該探測器的時間抖動情況。利用時間相關單光子計數（TCPSC）系統和飛秒激光器，測得探測器脈沖到達時間的高斯統計圖，取其半高全寬為探測器的時間抖動。圖7中紅色曲線展示了2.2 K溫度下，通過室溫放大器放大輸出信號時器件的抖動值。當偏置電流處于飽和工作點22 μA時，12 μm光敏面器件的時間抖動約為38 ps。該抖動包含了電路噪聲以及放大器本身所帶來的時間抖動分量。為了進一步降低器件抖動值，可以利用低溫放大器替代室溫放大器來降低讀出噪聲。將探測器置于0.86 K的溫度下并通過低溫放大器放大輸出信號，如圖7黑色曲線所示器件在偏置電流為28 μA時的時間抖動值降至22 ps。
圖7 采用室溫放大器放大輸出信號時23 μm光敏面器件（藍）、12 μm光敏面器件（紅）的時間抖動與采用低溫放大器放大輸出信號時12 μm光敏面器件（黑）的時間抖動
作為對比，本文同時測試了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間抖動。由圖6（a），（b）、圖7藍色曲線可以看出，相較于23 μm光敏面器件42 ns的恢復時間、20 MHz@3 dB的計數率、66 ps的時間抖動，本文制備的小光敏面器件的響應速度和時間抖動特性均有顯著提升。
本文基于現階段量子通信和量子計算領域對高效率、低抖動、高速度的實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，并同時進行了工藝加工和封裝結構上的優化。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波長處器件分別有著82%和70%的系統探測效率，并且在1200-1600 nm波長范圍內，系統探測效率均大于65%。器件恢復時間為12.6 ns，計數率達到40 MHz@3 dB。最優時間抖動僅為22 ps。后續將該探測器與優化的讀出電路相配合，有望達到更加優異的綜合性能，進一步擴寬應用場景。
這項研究獲得國家自然科學基金（61971408、61827823、12033007）、上海市青年科技啟明星項目（20QA1410900）和中國科學院青年創新促進會項目（2020241）的資助和支持。
DOI: 10.7498/aps.72.20230326
