上海微系統(tǒng)所研制高綜合性能超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器

超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器（SNSPD）優(yōu)異的時(shí)間特性（時(shí)間抖動(dòng)和響應(yīng)速度）是其最具吸引力的優(yōu)勢(shì)之一，并且已在量子通信、量子計(jì)算等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。然而，由于SNSPD的各技術(shù)參數(shù)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(zhàn)。小光敏面SNSPD在時(shí)間特性上具有明顯優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)存在探測(cè)效率低的突出問(wèn)題。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所和中國(guó)科學(xué)院超導(dǎo)電子學(xué)卓越創(chuàng)新中心的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)在《物理學(xué)報(bào)》期刊上發(fā)表了以“高綜合性能超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)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(jí)工程師和李浩研究員，楊曉燕主要從事超導(dǎo)電子學(xué)領(lǐng)域的研究工作，李浩主要從事超導(dǎo)單光子探測(cè)技術(shù)及應(yīng)用的研究工作。

本文為面向量子信息應(yīng)用的光纖耦合探測(cè)器，從開(kāi)發(fā)實(shí)用化、產(chǎn)品化SNSPD出發(fā)，采用批量對(duì)準(zhǔn)、高效耦合的自對(duì)準(zhǔn)封裝結(jié)構(gòu)，圍繞小光敏面自對(duì)準(zhǔn)SNSPD綜合性能的提升展開(kāi)研究。

器件的設(shè)計(jì)、制備、封裝

器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的器件結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，最上方是由雙層NbN超導(dǎo)薄膜刻蝕而成的納米線，其下方是由SiO?與Au組成的光學(xué)結(jié)構(gòu)， 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，線寬/周期為75 nm/160 nm。

相對(duì)常規(guī)單層納米線而言， 雙層納米線結(jié)構(gòu)在提升SNSPD探測(cè)效率和時(shí)間特性上都有明顯優(yōu)勢(shì)：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(guān)系，使二者同時(shí)得到提升; 擁有更高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)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?yàn)镈BR反射鏡通常需要幾個(gè)微米的厚度才能實(shí)現(xiàn)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(cè)器才能獲得良好的光學(xué)吸收。并且對(duì)于自對(duì)準(zhǔn)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(dǎo)致只能從背面完成自對(duì)準(zhǔn)芯片外輪廓的光刻和刻蝕。

受限于紫外曝光設(shè)備背面套刻精度，采用DBR反射鏡的自對(duì)準(zhǔn)SNSPD很難縮小光敏面。而Au反射鏡厚度僅為納米量級(jí)，光束發(fā)散小; 而且容易刻蝕，可以從正面獲取自對(duì)準(zhǔn)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(duì)準(zhǔn)SNSPD。

除此之外，Au反射鏡還擁有工藝容錯(cuò)率高、制備簡(jiǎn)單、反射譜較寬等一系列優(yōu)勢(shì)。為使納米線在1310 nm入射波長(zhǎng)處達(dá)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(zhǎng)，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(duì)不同器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行光吸收仿真的情況。

三條曲線分別表示在800-2000 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，無(wú)光學(xué)腔結(jié)構(gòu)的單層NbN納米線（黑色）、包含金屬反射鏡結(jié)構(gòu)的單層NbN納米線（藍(lán)色）和包含金屬反射鏡結(jié)構(gòu)的雙層NbN納米線（紅色）的光吸收效率?？梢钥闯霰疚乃捎玫碾p層納米線和金屬反射鏡架構(gòu)不僅在中心波長(zhǎng)1310 nm處具有極高的光吸收效率，并且在1000-1700 nm較寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)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(jié)構(gòu)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(zhǎng)，構(gòu)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(qiáng)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(zhǎng)。在制備完成所需薄膜后，除納米線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***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(yīng)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(xiàn)鎖孔形狀，其主體部分為與回形納米線同心的圓形，柄狀區(qū)域?yàn)橐龅膬蓚€(gè)電極。在此之中，Au反射鏡的制備和NbN薄膜生長(zhǎng)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(shè)計(jì)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)的打線力度不易控制，如果打穿SiO?層將會(huì)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(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(dá)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(yīng)位于納米線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Au膜生長(zhǎng)前后，分別原位生長(zhǎng)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(qū)的掃描電子顯微鏡（SEM）圖和高倍率下的納米線細(xì)節(jié)圖，可以看到刻蝕后的納米線條平直度較好，這與EBL曝光時(shí)電子更容易導(dǎo)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(shè)計(jì)值210 nm有少量出入。這與測(cè)量時(shí)橢偏儀的擬合誤差有關(guān)，將會(huì)對(duì)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SEM圖；（c）器件橫截面TEM圖

器件封裝

探測(cè)器光封裝模塊和電封裝模塊可拆分是采用自對(duì)準(zhǔn)封裝的SNSPD可以實(shí)現(xiàn)批量化對(duì)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(guò)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(guò)盈配合而無(wú)需外接對(duì)準(zhǔn)光源即可完成光纖出射光和芯片光敏面的對(duì)準(zhǔn)，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(shù)，其在超導(dǎo)態(tài)所需的低溫下也能保證較高的準(zhǔn)確度。為了進(jìn)一步提高探測(cè)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(xì)的纖芯也同時(shí)使探測(cè)器中與黑體輻射有關(guān)的暗計(jì)數(shù)得到降低。

圖4展示了未安裝光纖的自對(duì)準(zhǔn)SNSPD器件。工作時(shí)，將探測(cè)器固定在16通道集成冷盤上并安置在基于GM制冷機(jī)工作的恒溫器的4 K冷區(qū)中，最低工作溫度為2.2 K。電信號(hào)通過(guò)PCB板上焊接的SMP電連接器連接至低溫系統(tǒng)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(lián)的100 kΩ電阻提供。電脈沖信號(hào)由50 dB增益的放大器放大后，再由示波器/計(jì)數(shù)器完成信號(hào)采集。光信號(hào)由超連續(xù)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(jì)，使特定波長(zhǎng)的入射光達(dá)到單光子水平。隨后接入偏振控制器調(diào)節(jié)入射光偏振態(tài)，最后與探測(cè)器芯片上方的小芯徑光纖相連即可連通光路。

器件性能測(cè)試及結(jié)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(zhǎng)下的系統(tǒng)探測(cè)效率（SDE）和暗計(jì)數(shù)率（DCR）的測(cè)試結(jié)果。其中，實(shí)心曲線對(duì)應(yīng)左軸SDE，空心曲線對(duì)應(yīng)右軸DCR。在納米線達(dá)到飽和的本征效率時(shí)，1310 nm波長(zhǎng)下SDE為82%，1550 nm波長(zhǎng)下SDE為70%，DCR為70 cps。實(shí)驗(yàn)中所測(cè)得的器件系統(tǒng)探測(cè)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(duì)器件的入射光子響應(yīng)波段進(jìn)行表征，測(cè)試結(jié)果如圖5（b）所示，各個(gè)波長(zhǎng)下的SDE均為器件在22 μA偏置電流、2.2 K工作溫度下的測(cè)量值?？梢钥吹狡骷?064-1600 nm波段的SDE均達(dá)到60%以上，顯示其擁有較好的寬譜響應(yīng)特性。在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，將繼續(xù)優(yōu)化微納加工工藝和機(jī)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(cè)效率。

圖5 （a）器件探測(cè)效率和暗計(jì)數(shù)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(cè)效率

圖6反映出該探測(cè)器的響應(yīng)速度情況。其中圖6（a）紅色曲線為器件經(jīng)50 dB放大后的脈沖響應(yīng)波形。取信號(hào)下降至脈沖幅值的1/e時(shí)對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)間隔為器件恢復(fù)時(shí)間，約為12.6 ns。圖6（b）紅色曲線為探測(cè)器的計(jì)數(shù)率曲線，隨著光強(qiáng)的增大器件的探測(cè)效率不斷降低，效率降至最大值的50%時(shí)器件的計(jì)數(shù)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(yīng)波形和恢復(fù)時(shí)間；（b）12 μm光敏面器件和23 μm光敏面器件歸一化探測(cè)效率隨入射光子數(shù)的變化曲線

圖7反映出該探測(cè)器的時(shí)間抖動(dòng)情況。利用時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)（TCPSC）系統(tǒng)和飛秒激光器，測(cè)得探測(cè)器脈沖到達(dá)時(shí)間的高斯統(tǒng)計(jì)圖，取其半高全寬為探測(cè)器的時(shí)間抖動(dòng)。圖7中紅色曲線展示了2.2 K溫度下，通過(guò)室溫放大器放大輸出信號(hào)時(shí)器件的抖動(dòng)值。當(dāng)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(cè)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(hào)，如圖7黑色曲線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(hào)時(shí)23 μm光敏面器件（藍(lán)）、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(hào)時(shí)12 μm光敏面器件（黑）的時(shí)間抖動(dòng)

作為對(duì)比，本文同時(shí)測(cè)試了2.2 K工作溫度下，23 μm光敏面雙層SNSPD器件的響應(yīng)速度及時(shí)間抖動(dòng)。由圖6（a），（b）、圖7藍(lán)色曲線可以看出，相較于23 μm光敏面器件42 ns的恢復(fù)時(shí)間、20 MHz@3 dB的計(jì)數(shù)率、66 ps的時(shí)間抖動(dòng)，本文制備的小光敏面器件的響應(yīng)速度和時(shí)間抖動(dòng)特性均有顯著提升。

結(jié)論

本文基于現(xiàn)階段量子通信和量子計(jì)算領(lǐng)域?qū)Ω咝?、低抖?dòng)、高速度的實(shí)用化單光子探測(cè)器的需求，設(shè)計(jì)了一種批量封裝的自對(duì)準(zhǔn)SNSPD，并同時(shí)進(jìn)行了工藝加工和封裝結(jié)構(gòu)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(zhǎng)處器件分別有著82%和70%的系統(tǒng)探測(cè)效率，并且在1200-1600 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，系統(tǒng)探測(cè)效率均大于65%。器件恢復(fù)時(shí)間為12.6 ns，計(jì)數(shù)率達(dá)到40 MHz@3 dB。最優(yōu)時(shí)間抖動(dòng)僅為22 ps。后續(xù)將該探測(cè)器與優(yōu)化的讀出電路相配合，有望達(dá)到更加優(yōu)異的綜合性能，進(jìn)一步擴(kuò)寬應(yīng)用場(chǎng)景。

審核編輯：劉清