高效、偏振不敏感超導(dǎo)納米線單光子探測器*

張文英 胡鵬 肖游 李浩 尤立星

1)(中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所,信息功能材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200050)

2)(中國科學(xué)院超導(dǎo)電子學(xué)卓越創(chuàng)新中心,上海 200050)

3)(中國科學(xué)院大學(xué),北京 100039)

4)(中國科學(xué)院空間主動(dòng)光電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200050)

超導(dǎo)納米線單光子探測器(SNSPD)因其優(yōu)異的綜合性能被廣泛應(yīng)用于量子通信等眾多領(lǐng)域,然而其獨(dú)特的線性結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致SNSPD的探測效率對入射光的偏振態(tài)具有依賴性,從而限制了SNSPD 在非常規(guī)光纖鏈路或其他非相干光探測環(huán)境中的應(yīng)用.本文基于傳統(tǒng)的回形納米線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制備了一種新型偏振不敏感SNSPD,在納米線周圍引入一層高折射率Si 薄膜作為介質(zhì)補(bǔ)償層來提高納米線對垂直偏振態(tài)入射光的吸收效率,并將補(bǔ)償層的上表面設(shè)計(jì)為光柵結(jié)構(gòu)以減小不同波長下納米線對不同偏振態(tài)入射光的吸收差異從而實(shí)現(xiàn)在特定波長范圍內(nèi)的偏振不敏感.除此之外,還采用介質(zhì)鏡和雙層納米線結(jié)構(gòu)來提高器件的光吸收效率,測試結(jié)果表明該器件在1605 nm 波長處最大探測效率為87%,對應(yīng)的偏振消光比為1.06.該工作為未來實(shí)現(xiàn)高探測效率的偏振不敏感SNSPD 提供了參考依據(jù).

1 引 言

超導(dǎo)納米線單光子探測器(superconducting nanowire single photon detectors,SNSPD)是利用超薄極窄的超導(dǎo)納米線條吸收光子后產(chǎn)生的非平衡態(tài)熱電子效應(yīng)進(jìn)行單光子探測的新型光子探測器.自誕生以來,SNSPD 以其極高的探測效率(system detection efficiency,SDE)、低暗計(jì)數(shù)(dark count rate,DCR)、高計(jì)數(shù)率和低時(shí)間抖動(dòng)而受到人們的廣泛關(guān)注[1?3].經(jīng)過了近二十年的發(fā)展,現(xiàn)階段的SNSPD 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了98%的極限探測效率[4]、小于0.1 Hz的暗計(jì)數(shù)[5,6]、小于3 ps的時(shí)間抖動(dòng)[7,8]和吉赫茲的計(jì)數(shù)率[9,10].

與超導(dǎo)轉(zhuǎn)變沿探測器[11]等傳統(tǒng)面型結(jié)構(gòu)的單光子探測器相比,SNSPD的核心探測部分是由超薄極窄的納米線周期性曲折排列構(gòu)成.根據(jù)Anant等[12]的研究,這種獨(dú)特的各向異性回形結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致SNSPD 對不同偏振態(tài)入射光具有不同的光吸收效率:對于橫向電(transverse electric,TE)偏振光,納米線有著最大的光吸收效率;對于橫向磁(transverse magnetic,TM)偏振光,納米線的光吸收效率最低.而SNSPD的探測效率一般表示為光吸收效率ηabs、光耦合效率ηcouple和本征效率ηquant三者的乘積.光吸收效率的偏振相關(guān)性直接導(dǎo)致了其探測效率也是偏振相關(guān)的.通常將最大探測效率(SDEmax)與最小探測效率(SDEmin)的比值定義為偏振消光比(polarization extinction ratio,PER),用于評估SNSPD的偏振敏感性.SNSPD的偏振敏感性限制了其在許多量子通信領(lǐng)域的應(yīng)用,比如在基于光子偏振態(tài)編碼的量子密鑰分發(fā)中[13],光子的偏振態(tài)在傳播過程中會隨著時(shí)間的推移而發(fā)生變化,如果使用具有偏振敏感性的探測器作為接收端,將會造成誤碼率的增大.而在一些使用多模光纖或自由空間進(jìn)行光耦合的應(yīng)用中,如衛(wèi)星激光測距[14,15]、深空激光通信[16,17]、遠(yuǎn)距離單光子飛行時(shí)間成像[18]等,由于偏振敏感性的原因,SNSPD的高探測效率優(yōu)勢將會被大大折損.

目前,抑制SNSPD 偏振敏感性的手段主要可以分為提高納米線結(jié)構(gòu)的幾何對稱性和采用高折射率材料包覆納米線兩種方法.2008 年,Dorenbos等[19]首次將納米線設(shè)計(jì)為平面相互正交的回形結(jié)構(gòu)與螺旋結(jié)構(gòu),其制備的SNSPD的PER 為1.1左右,但是器件的效率極低;隨后Huang 等[20]也采用了螺旋線結(jié)構(gòu)的納米線將器件的PER 降低到1.04,且將SDEmax提升到了52%.Verma 等[21]通過將兩層非晶WSi 材料制備的回形納米線垂直疊放形成立體結(jié)構(gòu)SNSPD 來消除偏振依賴,相應(yīng)器件的SDEmax達(dá)到了87.7%,且PER 小于1.02.但因?yàn)槊繉蛹{米線需要單獨(dú)制備,所以很難保證基于NbN 等多晶材料的納米線進(jìn)行高質(zhì)量堆疊.天津大學(xué)胡小龍團(tuán)隊(duì)[22]利用分形理論將NbN 納米線設(shè)計(jì)成了高度對稱的皮亞諾曲線形狀,采用該結(jié)構(gòu)制備的器件PER 為1.1 左右,SDEmax為67%.隨后,為了改善該結(jié)構(gòu)納米線中的大量拐角導(dǎo)致的電流擁擠效應(yīng)和進(jìn)一步提高器件效率,他們對器件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)[23]:采用弧形分形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)取代了原設(shè)計(jì)中的“U”形拐角和“L”形拐角,并將基于NbTiN的納米線設(shè)計(jì)成并聯(lián)結(jié)構(gòu)以獲取較大的臨界電流和較小的時(shí)間抖動(dòng);為了進(jìn)一步提高器件效率,他們采用了布拉格反射鏡和增透膜相組合的結(jié)構(gòu)來提高納米線的光吸收效率.盡管結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,但是最終基于該結(jié)構(gòu)制備出的SNSPD 不僅具有逼近于1的PER,且SDEmax被提升到91%.

以上方案都是基于提高納米線結(jié)構(gòu)的幾何對稱性來減小入射光偏振態(tài)給器件帶來的偏振敏感性,而Xu 等[24]基于納米線內(nèi)部詳細(xì)的電磁場分析,提出使用高折射率Si 材料包覆納米線的方法來提高納米線對TM 偏振態(tài)入射光的光吸收效率,采用此結(jié)構(gòu)制備的器件PER 為1.09 左右,同時(shí)器件的SDEmax為61%.該方法通常稱為介質(zhì)補(bǔ)償法,具體原理是因?yàn)榧{米線的光吸收效率與納米線中的電場強(qiáng)度有關(guān),對于TM 偏振態(tài)入射光,由于其電場方向與納米線垂直,當(dāng)納米線外側(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)相較納米線小很多時(shí),場強(qiáng)分布主要集中在納米線外側(cè)的介質(zhì)中,納米線內(nèi)部的電場強(qiáng)度很小且分布不均,從而使納米線對TM 偏振光的吸收效率較低.因此可以通過介質(zhì)補(bǔ)償減小介電常數(shù)差異,提高納米線內(nèi)部電場強(qiáng)度,進(jìn)而提高納米線對于TM 偏振光的吸收效率,降低器件的偏振敏感性.

本文沿用傳統(tǒng)的回形納米線結(jié)構(gòu),基于介質(zhì)補(bǔ)償法設(shè)計(jì)了一種新型偏振不敏感SNSPD 結(jié)構(gòu),在引入高折射率Si 補(bǔ)償層補(bǔ)償納米線對TM 偏振光的吸收效率后(折射率與介電常數(shù)正相關(guān)),將補(bǔ)償層的上表面設(shè)計(jì)為正弦形亞波長光柵結(jié)構(gòu),減小不同波長下納米線對不同偏振態(tài)光子的吸收差異,以實(shí)現(xiàn)一定波長范圍內(nèi)的偏振無關(guān)探測,同時(shí)采用了雙層納米線結(jié)構(gòu)和分布式布拉格反射鏡來提高納米線的光吸收效率,同時(shí)達(dá)到高探測效率的目標(biāo).

2 器件的設(shè)計(jì)與制備

2.1 器件設(shè)計(jì)

圖1(a)為本文設(shè)計(jì)的SNSPD的橫截面示意圖,從下到上,器件分別由400 μm 厚的Si 襯底、13 層Ta2O5/SiO2薄膜組成的分布式布拉格反射鏡(distributed Bragg reflector,DBR)、雙層納米線結(jié)構(gòu)、Si 補(bǔ)償層和上表面的正弦形光柵構(gòu)成.采用DBR 和雙層納米線結(jié)構(gòu)是為了使納米線具有較高的光吸收效率[4].器件按照目標(biāo)波長為1550 nm所設(shè)計(jì),DBR 中Ta2O5層和SiO2層的厚度分別為180 nm 和268 nm;雙層納米線結(jié)構(gòu)中每層NbN納米線的厚度為6 nm,寬度和周期分別為75 nm和150 nm,雙層納米線之間采用3 nm 厚的SiO2作為絕緣層;采用高折射率材料Si(n=3.5)作為介質(zhì)補(bǔ)償層覆蓋在納米線側(cè)邊及上方.

不同波長下NbN 薄膜的折射率采用橢偏儀測得,在1550 nm 處,與空氣(n=1)相比,Si 材料和NbN(n=4.67–i3.32)之間的介電常數(shù)差異被大大降低.圖1(b)為利用有限元軟件(Comsol Multiphysics,RF module)進(jìn)行的不同結(jié)構(gòu)SNSPD對TE 和TM 偏振光吸收效率隨波長變化的數(shù)值仿真,考慮到NbN 材料色散效應(yīng)的影響,將其折射率作為波長的函數(shù)進(jìn)行了參數(shù)設(shè)置.圖中虛線為暴露于空氣中的裸納米線SNSPD 對應(yīng)的仿真結(jié)果,實(shí)線為疊加Si 補(bǔ)償層但無上表面光柵結(jié)構(gòu)的SNSPD的相應(yīng)仿真結(jié)果.可以看到疊加Si 補(bǔ)償層后器件對TM 偏振光的吸收效率提高到了和TE偏振光吸收效率相當(dāng)?shù)乃?

圖1 (a)采用Si 補(bǔ)償層和正弦形光柵結(jié)構(gòu)的SNSPD 橫截面示意圖,雙層納米線結(jié)構(gòu)被制備在DBR 上;(b)雙層納米線SNSPD 光吸收效率隨波長變化的仿真結(jié)果,實(shí)線代表只疊加Si 補(bǔ)償層的SNSPD,虛線代表裸納米線SNSPDFig.1.(a) Cross-sectional schematic of the SNSPD with a Si compensation layer and a sinusoidal grating structure,the twin layer nanowire structure was prepared on a DBR;(b) simulated optical absorption as a function of the wavelength of the SNSPD with the twin-layer nanowires,solid lines denote the SNSPD only with a Si compensation layer,and dashed lines denote the SNSPD with bare nanowires.

在此基礎(chǔ)上,為了使納米線對這兩種偏振光的吸收效率峰值都位于目標(biāo)波長處,在補(bǔ)償層上表面引入了亞波長光柵結(jié)構(gòu).由于亞波長光柵尺寸遠(yuǎn)小于入射光波長,根據(jù)亞波長光柵的等效介質(zhì)理論,其對TE 和TM 偏振態(tài)入射光具有不同的等效折射率[25,26],即對穿過光柵的透射光具有不同的相位調(diào)控作用.通過合理的設(shè)計(jì)亞波長光柵尺寸,可以使納米線在不同波長下對兩種偏振態(tài)光子的吸收效率都比較接近,且都在目標(biāo)波長處存在吸收峰值.值得注意的是,為了保證納米線的質(zhì)量,在制備納米線時(shí),通常會對其下方的SiO2進(jìn)行稍微過度刻蝕,因此在雙層NbN 納米線的邊緣出現(xiàn)了一個(gè)高度至少為15 nm的臺階.當(dāng)在該臺階結(jié)構(gòu)上沉積Si 補(bǔ)償層時(shí),補(bǔ)償層的上表面會隨著納米線呈現(xiàn)出周期性的正弦形起伏[27].結(jié)合該實(shí)際工藝結(jié)果,采用正弦形的亞波長光柵結(jié)構(gòu),在納米線尺寸一定時(shí),通過改變納米線的過刻深度即可改變光柵的高度,該光柵可在沉積補(bǔ)償層時(shí)自然形成,無需單獨(dú)制備,簡化了工藝流程.

為了確定最佳的補(bǔ)償層厚度和光柵高度,使用有限元軟件進(jìn)行仿真優(yōu)化.仿真發(fā)現(xiàn)光柵高度t1和補(bǔ)償層厚度t2 分別決定了兩個(gè)吸收峰之間的相對波長差異和吸收峰的絕對位置,所以分別對每個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化.圖2 實(shí)線所示為優(yōu)化后的器件光吸收效率隨波長變化的仿真結(jié)果,此時(shí)t1和t2 分別為35 nm 和165 nm.和圖1(b)中只疊加補(bǔ)償層的器件仿真結(jié)果相比,引入正弦形光柵后,由于光柵對不同偏振光的調(diào)控效果不同,TE 和TM 偏振光的器件吸收效率曲線有明顯相對移動(dòng)的效果,進(jìn)而使得兩種偏振態(tài)入射光的吸收效率峰值較好的重合于目標(biāo)波長1550 nm 處.此外,可以看出在1400—1700 nm 較寬的波長范圍內(nèi),這兩種偏振態(tài)入射光的器件吸收效率的變化趨勢較為一致,吸收效率的差異始終小于8.5%,PER 小于1.22,即在該波長范圍內(nèi)器件始終是偏振不敏感的,引入的光柵結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了器件的偏振不敏感特性.

圖2 引入正弦形光柵的偏振不敏感SNSPD 光吸收效率隨波長變化的仿真結(jié)果Fig.2.Simulated optical absorption as a function of the wavelength of the polarization-insensitive SNSPD with the sinusoidal-shaped grating.

2.2 器件制備

依據(jù)上述仿真結(jié)果,在400 μm 厚的硅片上制備光敏面直徑為18 μm的偏振不敏感SNSPD.首先在Si 襯底上交替沉積13 層SiO2/Ta2O5薄膜作為四分之一中心波長布拉格反射鏡;在反射鏡上依次沉積6 nm 厚的NbN 薄膜、3 nm 厚的SiO2薄膜和6 nm 厚的上層NbN 薄膜,其中NbN 薄膜采用室溫直流磁控濺射法進(jìn)行制備,SiO2薄膜則采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法進(jìn)行制備;基于上述薄膜結(jié)構(gòu)采用電子束曝光和反應(yīng)離子刻蝕法制備了雙層納米線結(jié)構(gòu),之后通過紫外曝光和反應(yīng)離子刻蝕法制備電極微橋,到此基礎(chǔ)的器件結(jié)構(gòu)已經(jīng)成型,最后為了實(shí)現(xiàn)偏振無關(guān)探測的效果,在上述器件頂部采用熱蒸發(fā)法沉積了一層Si 薄膜,完成了器件制備.

圖3(a)和3(b)分別為器件的光敏面掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)圖和展示更多細(xì)節(jié)的納米線高度放大SEM 圖,從圖3(b)可知納米線的寬度和周期分別為65 nm 和150 nm.圖3(c)為器件部分結(jié)構(gòu)的透射電子顯微鏡(transmission electron microscope,TEM)圖,其中沉積的Si 材料總厚度為231 nm,Si 補(bǔ)償層的厚度為187 nm.圖3(d)和圖3(e)為高度放大的雙層納米線及正弦形光柵的TEM 圖.為了能形成所需的光柵結(jié)構(gòu),同時(shí)也為了保證上層納米線的質(zhì)量,在采用反應(yīng)離子刻蝕制備納米線時(shí),對過刻的深度進(jìn)行了控制.從圖3(d)和圖3(e)可以看到,納米線間隔之間的深度約為6.5 nm,基于該過刻深度制備的光柵高度為22 nm.因?yàn)榧{米線較窄且熱蒸發(fā)沉積Si 補(bǔ)償層時(shí)存在一個(gè)蒸發(fā)角度,導(dǎo)致光柵的形狀偏離對稱性的正弦形結(jié)構(gòu),這對光柵的調(diào)控作用具有一定的影響.

圖3 (a) SNSPD 光敏面SEM 圖;(b)高度放大的雙層納米線SEM 圖;(c) SNSPD 橫截面TEM 圖,Si 薄膜總厚度約為231 nm;(d)高度放大的雙層納米線TEM 圖,過刻深度約6.5 nm;(e)高度放大的正弦形光柵TEM 圖,光柵高度為22 nmFig.3.(a) SEM image of the active area of the SNSPD;(b) magnified SEM image of the the twin-layer nanowires;(c) TEM image of the cross-section of the SNSPD with a 231 nm-thick Si film;(d) magnified TEM image of the twin-layer nanowires with an overetched depth of 6.5 nm;(e) magnified TEM image of the sinusoidal grating with a height of 22 nm.

3 器件測試及結(jié)果分析

為了對制備的器件進(jìn)行性能表征,搭建了圖4所示的SNSPD 測試系統(tǒng).首先將制備好的SNSPD固定在1 個(gè)銅制封裝盒中并用1 根單模光纖(Corning:SMF-28e)正面對準(zhǔn)SNSPD.封裝好的器件被安裝在工作溫度為2.1 K的GM 制冷機(jī)的二級冷頭上,1 個(gè)偏置樹(Bias-Tee,Mini Circuit ZX85-12G-S+)和阻抗為50 Ω的同軸線用以為SNSPD提供直流偏置并把器件的交流響應(yīng)信號輸出.偏置電路由1 個(gè)獨(dú)立的電壓源(Stanford SIM 928)和1 個(gè)100 kΩ的電阻Rs串聯(lián)而成,并通過偏置樹的直流端為SNSPD 提供準(zhǔn)恒流偏置.SNSPD 產(chǎn)生的電壓脈沖通過常溫低噪聲放大器(LNA-650,RF Bay,Inc.)進(jìn)行放大,放大器的增益為50 dB,帶寬為30 kHz—600 MHz,放大后的信號被輸入到計(jì)數(shù)器或示波器.對SNSPD 進(jìn)行光學(xué)性能表征時(shí),將連續(xù)激光器(Keysight 81970:1465—1575 nm;Keysight 81940:1520—1630 nm)產(chǎn)生的激光通過兩臺光功率衰減器(Keysight:81570A)進(jìn)行衰減,以實(shí)現(xiàn)單光子水平的脈沖光信號,隨后通過三槳偏振控制器(Thorlabs:FPC561)對入射光的偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)后再與器件的光纖熔接.在測試前,使用高精度的光功率計(jì)(Keysight:81624B)和帶有抗反射涂層的單模光纖進(jìn)行了光功率的標(biāo)定,確保入射到SNSPD 上的光子數(shù)為0.1 MHz.在測試過程中,通過手動(dòng)調(diào)節(jié)三槳偏振控制器得到SDEmax和SDEmin,即可通過計(jì)算得到對應(yīng)的PER.

圖4 SNSPD 測試系統(tǒng)示意圖Fig.4.Schematic of the measurement system used to characterize the SNSPD.

在1465—1630 nm 波長范圍內(nèi)對制備的SNSPD的探測效率和偏振敏感性進(jìn)行了表征.圖5(a)給出了偏置電流Ib=0.91Isw時(shí)器件的SDEmax,SDEmin和PER的光譜響應(yīng),其中Isw為臨界電流.可以看出,該器件在1605 nm 波長處存在最大的探測效率,在1505—1630 nm 波長范圍內(nèi),SDEmin都超過了50%,SDEmax和SDEmin之間的差異小于11.5%,PER 小于1.2.最大探測效率對應(yīng)的波長與設(shè)計(jì)值1550 nm 之間的偏差可以認(rèn)為是由光柵形狀的偏移以及尺寸與折射率的差異造成的,除此之外,非理想的器件制備工藝和光學(xué)耦合也會導(dǎo)致器件光吸收效率的降低.作為對比,在同樣的電流偏置下,還對采用80 nm 寬裸納米線的SNSPD進(jìn)行了PER的表征(見圖5(a)插圖).可以看到,對沒有采取任何抑制偏振敏感性手段的SNSPD,其PER 隨波長變化顯著,PER 最小也大于2,若采用更窄納米線,該P(yáng)ER 值會變得更大.該結(jié)果證明了本文器件可以實(shí)現(xiàn)一定波長范圍內(nèi)的高效偏振無關(guān)探測.

圖5 (a)偏振不敏感SNSPD的SDE 光譜響應(yīng),插圖顯示了偏振不敏感SNSPD 和裸納米線SNSPD的PER 光譜響應(yīng)對比;(b)偏振不敏感SNSPD 在1605 nm 處探測效率隨偏置電流變化的曲線Fig.5.(a) Spectral responses of SDE for the polarization-insensitive SNSPD,the inset shows a comparison of the spectral responses of PER for the polarization-insensitive SNSPD and the SNSPD with bare nanowires;(b) system detection efficiency curves as a function of the bias current at 1605 nm for the polarization-insensitive SNSPD.

圖5(b)為1605 nm 波長下器件探測效率隨偏置電流的變化,在DCR 為100 Hz 時(shí),SDEmax為87%,SDEmin也達(dá)到了82%,對應(yīng)的PER 為1.06.在整個(gè)探測光譜范圍內(nèi),器件的效率曲線都存在一段飽和區(qū)間,即器件的本征效率為100%.在保證器件本征光子響應(yīng)飽和的前提下,還可以適度加大納米線的寬度,進(jìn)一步提高探測效率的同時(shí)還可以降低PER 值.

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種新型偏振不敏感超導(dǎo)納米線單光子探測器結(jié)構(gòu),并對設(shè)計(jì)的器件進(jìn)行了制備和性能表征,在1505—1630 nm 波長范圍內(nèi),器件的探測效率都超過50%,PER 小于1.2;在1605 nm波長處探測效率最大可達(dá)到87%,PER 僅有1.06.Si 補(bǔ)償層、正弦形光柵、雙層納米線結(jié)構(gòu)和介質(zhì)鏡的結(jié)合不僅使SNSPD 實(shí)現(xiàn)了高效、偏振不敏感探測,且沒有使器件的制備過程復(fù)雜化,將有助于保證器件的良品率,這對偏振無關(guān)器件的實(shí)際應(yīng)用具有十分重要的意義.