Статистика фотоотсчетов сверхпроводникового однофотонного детектора из трехслойной пленки WSi

Сверхпроводниковые однофотонные детекторы (SNSPD) успешно применяются в квантовой оптике, когда требуется рекордное временное разрешение, высокое быстродействие и рекордно низкий уровень темнового счета (ложных срабатываний). Однако эффективность детектирования SNSPD ограничена коэффициентом поглоще...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2018
Hauptverfasser:	Флоря, И.Н., Корнеева, Ю.П., Михайлов, М.Ю., Девизенко, А.Ю., Корнеев, А.А., Гольцман, Г.Н.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України 2018
Schriftenreihe:	Физика низких температур
Schlagworte:	Сверхпроводимость и низкотемпературная микроэлектроника
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/175975
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Статистика фотоотсчетов сверхпроводникового однофотонного детектора из трехслойной пленки WSi / И.Н. Флоря, Ю.П. Корнеева, М.Ю. Михайлов, А.Ю. Девизенко, А.А. Корнеев, Г.Н. Гольцман // Физика низких температур. — 2018. — Т. 44, № 3. — С. 292-297. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-175975
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1759752025-02-23T20:19:15Z Статистика фотоотсчетов сверхпроводникового однофотонного детектора из трехслойной пленки WSi Photon counting statistics of a superconducting single-photon detector made of a three-layer WSi film Флоря, И.Н. Корнеева, Ю.П. Михайлов, М.Ю. Девизенко, А.Ю. Корнеев, А.А. Гольцман, Г.Н. Сверхпроводимость и низкотемпературная микроэлектроника Сверхпроводниковые однофотонные детекторы (SNSPD) успешно применяются в квантовой оптике, когда требуется рекордное временное разрешение, высокое быстродействие и рекордно низкий уровень темнового счета (ложных срабатываний). Однако эффективность детектирования SNSPD ограничена коэффициентом поглощения излучения ультратонкой пленкой сверхпроводника. Один из перспективных способов увеличить поглощение в детекторе, не ограничивая его широкополосности, — изготовить детектор в виде нескольких слоев, расположенных друг над другом, и соединить их параллельно. Нами впервые исследовано однофотонное детектирование в многослойной структуре, состоящей из трех сверхпроводящих слоев аморфного силицида вольфрама (WSi), разделенных тонкими слоями аморфного кремния. Продемонстрированы два режима работы детектора: режим лавины (avalanche regime) и триггерный (arm-trigger regime) режим, а также определено, что смена режимов происходит в интервале токов ~ 0,5–0,6 от критического тока детектора. Надпровідникові однофотонні детектори (SNSPD) успішно застосовуються в квантовій оптиці, коли потрібна рекордна часова роздільність, висока швидкодія і рекордно низький рівень темнових відліків (помилкових спрацьовувань). Однак ефективність детектування SNSPD обмежена коефіцієнтом поглинання випромінювання ультратонкою плівкою надпровідника. Один з перспективних способів збільшити поглинання в детекторі, не обмежуючи його широкосмуговості, — виготовити детектор у вигляді декількох шарів, розташованих один над одним, і з'єднати їх паралельно. Нами вперше досліджено однофотонне детектування в багатошаровій структурі, що складається з трьох надпровідних шарів аморфного силіциду вольфраму (WSi), що розділені тонкими шарами аморфного кремнію. Продемонстровано два режими роботи детектора: режим лавини (avalanche regime) та тригерний (arm-trigger regime) режим, а також визначено, що зміна режимів відбувається в інтервалі струмів ~ 0,5–0,6 від критичного струму детектора Superconducting nanowire single-photon detectors (SNSPD) are successfully used in quantum optics, when a record-breaking time resolution, high speed and record low level of dark counts are required. However, the SNSPD detection efficiency is limited by the absorption coefficient of the radiation by the ultrathin superconducting film. One of the promising ways to increase the absorption in the detector without limiting its broadband is to make the detector in the form of several vertically stacked layers and connecting them in parallel. For the first time, we studied single-photon detection in a multilayer structure consisting of three superconducting layers of amorphous tungsten silicide (WSi) separated by thin layers of amorphous silicon. We demonstrated two modes of operation of the detector: the avalanche regime and the arm-trigger regime, and determined that the regime change occurs in the bias current range of ~ 0.5-0.6 of the detector superconducting critical current. Работа выполнена при поддержке технического задания № 88 на проведение научного исследования Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики», гранта Минобрнауки России № 14.B25.31.0007, работа Г.Н. Гольцмана поддержана государственным заданием Минобрнауки России № 3.7328.2017/ВУ. 2018 Article Статистика фотоотсчетов сверхпроводникового однофотонного детектора из трехслойной пленки WSi / И.Н. Флоря, Ю.П. Корнеева, М.Ю. Михайлов, А.Ю. Девизенко, А.А. Корнеев, Г.Н. Гольцман // Физика низких температур. — 2018. — Т. 44, № 3. — С. 292-297. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. PACS: 74.78.-w, 85.25.Pb 0132-6414 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/175975 ru Физика низких температур application/pdf Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Сверхпроводимость и низкотемпературная микроэлектроника Сверхпроводимость и низкотемпературная микроэлектроника
spellingShingle	Сверхпроводимость и низкотемпературная микроэлектроника Сверхпроводимость и низкотемпературная микроэлектроника Флоря, И.Н. Корнеева, Ю.П. Михайлов, М.Ю. Девизенко, А.Ю. Корнеев, А.А. Гольцман, Г.Н. Статистика фотоотсчетов сверхпроводникового однофотонного детектора из трехслойной пленки WSi Физика низких температур
description	Сверхпроводниковые однофотонные детекторы (SNSPD) успешно применяются в квантовой оптике, когда требуется рекордное временное разрешение, высокое быстродействие и рекордно низкий уровень темнового счета (ложных срабатываний). Однако эффективность детектирования SNSPD ограничена коэффициентом поглощения излучения ультратонкой пленкой сверхпроводника. Один из перспективных способов увеличить поглощение в детекторе, не ограничивая его широкополосности, — изготовить детектор в виде нескольких слоев, расположенных друг над другом, и соединить их параллельно. Нами впервые исследовано однофотонное детектирование в многослойной структуре, состоящей из трех сверхпроводящих слоев аморфного силицида вольфрама (WSi), разделенных тонкими слоями аморфного кремния. Продемонстрированы два режима работы детектора: режим лавины (avalanche regime) и триггерный (arm-trigger regime) режим, а также определено, что смена режимов происходит в интервале токов ~ 0,5–0,6 от критического тока детектора.
format	Article
author	Флоря, И.Н. Корнеева, Ю.П. Михайлов, М.Ю. Девизенко, А.Ю. Корнеев, А.А. Гольцман, Г.Н.
author_facet	Флоря, И.Н. Корнеева, Ю.П. Михайлов, М.Ю. Девизенко, А.Ю. Корнеев, А.А. Гольцман, Г.Н.
author_sort	Флоря, И.Н.
title	Статистика фотоотсчетов сверхпроводникового однофотонного детектора из трехслойной пленки WSi
title_short	Статистика фотоотсчетов сверхпроводникового однофотонного детектора из трехслойной пленки WSi
title_full	Статистика фотоотсчетов сверхпроводникового однофотонного детектора из трехслойной пленки WSi
title_fullStr	Статистика фотоотсчетов сверхпроводникового однофотонного детектора из трехслойной пленки WSi
title_full_unstemmed	Статистика фотоотсчетов сверхпроводникового однофотонного детектора из трехслойной пленки WSi
title_sort	статистика фотоотсчетов сверхпроводникового однофотонного детектора из трехслойной пленки wsi
publisher	Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
publishDate	2018
topic_facet	Сверхпроводимость и низкотемпературная микроэлектроника
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/175975
citation_txt	Статистика фотоотсчетов сверхпроводникового однофотонного детектора из трехслойной пленки WSi / И.Н. Флоря, Ю.П. Корнеева, М.Ю. Михайлов, А.Ю. Девизенко, А.А. Корнеев, Г.Н. Гольцман // Физика низких температур. — 2018. — Т. 44, № 3. — С. 292-297. — Бібліогр.: 12 назв. — рос.
series	Физика низких температур
work_keys_str_mv	AT florâin statistikafotootsčetovsverhprovodnikovogoodnofotonnogodetektoraiztrehslojnojplenkiwsi AT korneevaûp statistikafotootsčetovsverhprovodnikovogoodnofotonnogodetektoraiztrehslojnojplenkiwsi AT mihajlovmû statistikafotootsčetovsverhprovodnikovogoodnofotonnogodetektoraiztrehslojnojplenkiwsi AT devizenkoaû statistikafotootsčetovsverhprovodnikovogoodnofotonnogodetektoraiztrehslojnojplenkiwsi AT korneevaa statistikafotootsčetovsverhprovodnikovogoodnofotonnogodetektoraiztrehslojnojplenkiwsi AT golʹcmangn statistikafotootsčetovsverhprovodnikovogoodnofotonnogodetektoraiztrehslojnojplenkiwsi AT florâin photoncountingstatisticsofasuperconductingsinglephotondetectormadeofathreelayerwsifilm AT korneevaûp photoncountingstatisticsofasuperconductingsinglephotondetectormadeofathreelayerwsifilm AT mihajlovmû photoncountingstatisticsofasuperconductingsinglephotondetectormadeofathreelayerwsifilm AT devizenkoaû photoncountingstatisticsofasuperconductingsinglephotondetectormadeofathreelayerwsifilm AT korneevaa photoncountingstatisticsofasuperconductingsinglephotondetectormadeofathreelayerwsifilm AT golʹcmangn photoncountingstatisticsofasuperconductingsinglephotondetectormadeofathreelayerwsifilm
first_indexed	2025-11-25T02:08:40Z
last_indexed	2025-11-25T02:08:40Z
_version_	1849726364751495168
fulltext	Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2018, т. 44, № 3, c. 292–297 Статистика фотоотсчетов сверхпроводникового однофотонного детектора из трехслойной пленки WSi И.Н. Флоря1, Ю.П. Корнеева1,5, М.Ю. Михайлов2, А.Ю. Девизенко4, А.А. Корнеев1,3, Г.Н. Гольцман1,3 1Московский педагогический государственный университет ул. Малая Пироговская, 1, стр. 1, г. Москва, 119991, Россия 2Физико-технический институт низких температур им. Б.И. Веркина НАН Украины пр. Науки, 47, г. Харьков, 61103, Украина 3Московский институт электроники и математики им. А.Н. Тихонова, Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики", ул. Мясницкая, 20, г. Москва, 101000, Россия 4Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт» ул. Кирпичева, 2, г. Харьков, 61002, Украина 5Институт физики микроструктур РАН, г. Н. Новгород, 603950, Россия E-mail: akorneev@rplab.ru, mikhailov@ilt.kharkov.ua Статья поступила в редакцию 27 октября 2017 г., опубликована онлайн 25 января 2018 г. Сверхпроводниковые однофотонные детекторы (SNSPD) успешно применяются в квантовой оптике, когда требуется рекордное временное разрешение, высокое быстродействие и рекордно низкий уровень темнового счета (ложных срабатываний). Однако эффективность детектирования SNSPD ограничена ко- эффициентом поглощения излучения ультратонкой пленкой сверхпроводника. Один из перспективных способов увеличить поглощение в детекторе, не ограничивая его широкополосности, — изготовить де- тектор в виде нескольких слоев, расположенных друг над другом, и соединить их параллельно. Нами впервые исследовано однофотонное детектирование в многослойной структуре, состоящей из трех сверхпроводящих слоев аморфного силицида вольфрама (WSi), разделенных тонкими слоями аморфного кремния. Продемонстрированы два режима работы детектора: режим лавины (avalanche regime) и триг- герный (arm-trigger regime) режим, а также определено, что смена режимов происходит в интервале то- ков ~ 0,5–0,6 от критического тока детектора. Надпровідникові однофотонні детектори (SNSPD) успішно застосовуються в квантовій оптиці, коли потрібна рекордна часова роздільність, висока швидкодія і рекордно низький рівень темнових відліків (помилкових спрацьовувань). Однак ефективність детектування SNSPD обмежена коефіцієнтом погли- нання випромінювання ультратонкою плівкою надпровідника. Один з перспективних способів збільшити поглинання в детекторі, не обмежуючи його широкосмуговості, — виготовити детектор у вигляді декількох шарів, розташованих один над одним, і з'єднати їх паралельно. Нами вперше досліджено однофотонне де- тектування в багатошаровій структурі, що складається з трьох надпровідних шарів аморфного силіциду вольфраму (WSi), що розділені тонкими шарами аморфного кремнію. Продемонстровано два режими ро- боти детектора: режим лавини (avalanche regime) та тригерний (arm-trigger regime) режим, а також визна- чено, що зміна режимів відбувається в інтервалі струмів ~ 0,5–0,6 від критичного струму детектора. PACS: 74.78.-w Сверхпроводящие пленки и низкоразмерные структуры; 85.25.Pb Сверхпроводниковые детекторы инфракрасных, субмиллиметровых и миллиметровых волн. Ключевые слова: тонкие сверхпроводящие пленки; сверхпроводниковые однофотонные детекторы; эф- фективность детектирования; статистика фотоотсчетов; силицид вольфрама. © И.Н. Флоря, Ю.П. Корнеева, М.Ю. Михайлов, А.Ю. Девизенко, А.А. Корнеев, Г.Н. Гольцман, 2018 Статистика фотоотсчетов сверхпроводникового однофотонного детектора из трехслойной пленки WSi 1. Введение Принцип действия сверхпроводниковых однофотон- ных детекторов (SNSPD) был продемонстрирован в 2001 г. [1]. Сегодня детекторы этого типа применяются в квантовой оптике и квантовой криптографии, превос- ходя в телекоммуникационном диапазоне 1310–1550 нм однофотонные лавинные диоды [2]. Однако квантовая эффективность, т.е. вероятность регистрации фотона, ограничена коэффициентом поглощения сверхпроводя- щей пленки, из которой изготовлен SNSPD, и обычно составляет менее 30%. Чтобы увеличить поглощение, детектор встраивают в оптический полостной резона- тор, похожий на резонатор Фабри–Перо. Рекордное зна- чение квантовой эффективности, полученное при таком подходе, составило 93% на целевой длине волны 1550 нм [3]. Естественно, при использовании резонатора детектор теряет широкополосность в чувствительности. Альтернативный подход к увеличению поглощения без потери широкополосности — сделать детектор в виде нескольких сверхпроводящих слоев, расположен- ных друг над другом [4]. В работе [5] авторы изготовили трехмерную структуру, расположив 2 сверхпроводящих меандра из WSi друг над другом, электрически соединив их параллельно. Благодаря взаимно ортогональному рас- положению меандров заодно уменьшилась и поляриза- ционная зависимость эффективности детектирования. В работе [6] были объединены оба подхода: двух- слойный SNSPD из WSi был интегрирован в оптический резонатор, состоящий из многослойного диэлектриче- ского зеркала, расположенного со стороны подложки, и просветляющего покрытия со стороны вакуума. Такой детектор показал эффективность детектирования (87,1 ± ± 1,3)% в диапазоне длин волн 1450–1640 нм. Очевидно, что простое увеличение числа сверхпро- водящих меандров, расположенных один над другим, без использования резонатора будет также приводить к увеличению квантовой эффективности. Одновременно это должно приводить к увеличению сверхпроводящего критического тока и тока смещения такого детектора и, как следствие, к увеличению амплитуды импульса на- пряжения, возникающего при регистрации фотона. Од- нако при параллельном соединении меандров в много- слойном SNSPD следует ожидать наличия двух режимов работы, подобно тому, что наблюдалось в од- нослойных SNSPD с параллельным соединением меан- дров в работах [7–9]. В первом режиме, если ток в каждой секции одно- слойного детектора достаточно близок к критическому, при поглощении фотона одна секция переключается в нормальное состояние, ток от этой секции перераспре- деляется между оставшимися N-1 секциями, после чего ток в них оказывается выше критического. Это вызыва- ет лавинное переключение всех секций в резистивное состояние. Такой механизм получил название лавин- ный режим (avalanche regime), а детектор стали назы- вать Superconducting Nanowire Avalanche Photodetector (SNAP) [9]. Второй режим реализуется при более низких токах смещения. В этом режиме, как и в лавинном режиме, ток из секции, поглотившей фотон, перераспределяет- ся между остальными секциями. Однако, если ток сме- щения секций перед поглощением фотона был доста- точно мал, после перераспределения токов они не достигают критического значения, остальные секции не переходят в резистивное состояние и импульс напряже- ния в детекторе еще не возникает. При этом в секции, поглотившей фотон, ток не восстанавливается даже после того, как она снова стала сверхпроводящей. Од- нако после нескольких циклов поглощения фотонов устанавливается такое распределение токов, что после очередного поглощения фотона перераспределение токов все-таки приводит к лавинному переключению всех секций. В этом режиме, получившем название триггерного (arm-trigger), отклик детектора возникает только на последовательности из двух и более погло- щенных фотонов [9]. В данной работе впервые исследован многослойный ML-SNAP (multilayer-SNAP) детектор, в котором три сверхпроводящих слоя расположены один над другим, и исследованы условия перехода от лавинного к триг- герному режиму детектирования. 2. Методика изготовления образцов Мы изготовили многослойные ML-SNAP детекторы, состоящие из трех слоев сверхпроводящей аморфной пленки WSi толщиной 34 Å, разделенных изолирующей прослойкой Si толщиной 51 Å (рис. 1). В качестве под- ложек использована полированная кремниевая пласти- на, с термическим окислом SiO2 толщиной 2500 Å. Все слои осаждались методом магнетронного распыления на постоянном токе с использованием двух источников с мишенями вольфрама и кремния. Перед осаждением пер- вого слоя WSi был осажден подслой аморфного кремния Рис. 1. Схематично показан поперечный разрез многослойного SNSPD, каждый сверхпроводящий слой WSi разделяется изо- лирующим слоем Si. Все сверхпроводящие слои соединены параллельно и выводятся на пару контактных площадок. Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2018, т. 44, № 3 293 И.Н. Флоря, Ю.П. Корнеева, М.Ю. Михайлов, А.Ю. Девизенко, А.А. Корнеев, Г.Н. Гольцман толщиной 60 Å, что улучшает сверхпроводящие свойства и обеспечивает лучшую однородность при последующем осаждении пленки аморфного сверхпроводника [10]. По- сле осаждения третьего сверхпроводящего слоя для за- щиты от окисления осаждался слой кремния толщиной 30 Å. Во время осаждения подложка находилась при комнатной температуре. Толщина пленок и изолирую- щих прослоек между ними в многослойной композиции была определена после осаждения методом малоугловой рентгеновской рефлектометрии. По данным просвечи- вающей электронной микроскопии, слои сверхпроводни- ка и изолирующие прослойки имеют аморфную структу- ру. Номинальное атомное соотношение элементов в пленке сверхпроводника W:Si составляет 75:25, что обеспечивает максимальную критическую температуру. В пределе толстых кремниевых прослоек наш много- слойный образец может быть представлен как набор не- зависимых сверхпроводящих слоев WSi, соединенных параллельно. Однако использование слишком толстых прослоек Si может влиять на точность создания необхо- димой топологии детектора во время проведения про- цессов сухого травления. Когда кремниевые прослойки становятся тоньше, критическая температура многослой- ного сверхпроводника увеличивается из-за возникнове- ния джозефсоновской связи между сверхпроводящими слоями. Предыдущие исследования [11,12] показали, что многослойные S/I композиции с Si-прослойкой ве- дут себя как двумерные несвязанные слои при толщинах прослоек dSi > 40–50 Å. Поэтому для изготовления ML- SNAP детекторов мы выбрали толщину кремниевой прослойки, равную 51 Å. Критическая температура изготовленных трехслойных детекторов составила Tc = (3,5 ± 0,1) К. Удельное сопротивление ML-SNAP 1 94 мкОм смρ= ⋅ определено из сопротивления квадра- та пленки R□ и ее толщины d. Полученная величина R□ в 3 раза меньше, чем для одиночного слоя WSi толщиной 34 Å. Нанополоска в форме меандра формировалась ме- тодом электронно-лучевой литографии и последую- щим реактивным ионным травлением в плазме SF6. Меандры изготавливались размером 10 1 0 мкм× либо 7 7 мкм× . Ширина полоски на различных образцах выбиралась от 73 до 128 нм, промежуток между полос- ками — от 72 до 127 нм. Электрические контакты Cr/Cu изготавливались методом электронно-лучевого испарения и структурировались методом фотолито- графии. 3. Экспериментальная установка Все измерения проводились при температуре 1,7 К, детектор был установлен на держателе в измерительном макете в откачной криогенной вставке, помещенной в сосуд Дьюаpа с жидким гелием. Чип детектора с помо- щью ультразвуковой сварки был соединен с копланар- ной линией передачи и юстировался относительно од- номодового волокна SMF-28 в держателе. Копланарная линия с помощью коаксиально-копланарного перехода соединялась с коаксиальной линией. Через адаптер сме- щения Mini Circuits ZFBT-4R2GW + детектор смещался по постоянному току. Сигнал от образца усиливался каскадом широкополосных усилителей Mini Circuits ZFL-1000 LN + (полоса 0,1–1000 МГц) и суммарным коэффициентом усиления 46 дБ и подавался на осцил- лограф Tektronix DPO–70404C (полоса 4 ГГц, 25 Гвыб/с) и счетчик импульсов Agilent 53131 A для измерения эффективности детектирования. В качестве источников излучения использовался непрерывно из- лучающий лазер на длине волны 1550 нм. Квантовая эффективность, т.е. вероятность детекти- рования фотона, определялась как отношение числа фотоотсчетов к числу падающих на образец фотонов. Число фотонов, в свою очередь, определялось из мощ- ности излучения и величины ослабления. 4. Результаты и обсуждение Было изготовлено 26 образцов. Все изготовленные образцы продемонстрировали критический ток в диапа- зоне 3 – 10 мкА. Для отбора лучших мы измерили эф- фективности детектирования на длине волны 1550 нм. Для исследования режима работы мы выбрали не- сколько типичных образцов с высокой эффективностью. Здесь мы приводим результаты для одного из них раз- мером 10 1 0 мкм× , шириной полоски 111 нм и расстоя- нием между полосками 89 нм. При рабочей температу- ре 1,7 К критический ток этого образца составил 8 мкА. На рис. 2 (а) для этого детектора представлены зависимости эффективности детектирования η и ско- рости темновых отсчетов от тока смещения образца. Максимальное значение η составило ~ 30%, что не- сколько ниже теоретического значения для коэффици- ента поглощения исследуемой многослойной структу- ры (рис. 2 (б)). Отметим, что на зависимости η от тока не наблюдается насыщения при токах, близких к Ic. По нашему мнению, это говорит о том, что образец либо не достаточно охлажден, либо сверхпроводящие по- лоски имеют дефекты. Кроме того, общее уменьшение эффективности детектирования может быть связано и с неравным распределением тока между полосками. В самом деле, если одна из полосок оказывается смещена меньшим током, то эффективность детектирования в ней будет меньше, уменьшая эффективность детекти- рования всей структуры в целом. Далее мы исследовали статистику зависимости ко- личества фотоотсчетов от количества падающих фото- нов. Для SNSPD можно показать [1], что при малом потоке фотонов, если детектор регистрирует одиноч- ные фотоны, зависимость числа фотоотсчетов в едини- цу времени будет пропорциональна первой степени 294 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2018, т. 44, № 3 Статистика фотоотсчетов сверхпроводникового однофотонного детектора из трехслойной пленки WSi потока фотонов, падающих на детектор. Если же де- тектору для срабатывания требуется одновременное поглощение двух фотонов, количество фотоотсчетов будет пропорционально квадрату потока фотонов, если требуется три фотона, то кубу потока и т.д. Это следует из того, что при пуассоновском распределении при среднем числе фотонов v ≪ 1 в интервале времени τ, вероятность наличия n фотонов в этом интервале вре- мени упрощается до выражения pn = vn/n!. Строго го- воря, за время τ следует брать время формирования горячего пятна — области с подавленной сверхпрово- димостью, образующейся в месте поглощения фотона. Однако поскольку это время точно не известно, для бо- лее строгого условия в качестве τ можно взять время фотоотклика детектора. Кроме того, фотоны, попа- дающие на участки детектора, расположенные далеко друг от друга, никак друг на друга не влияют. Поэтому следует рассматривать сколько фотонов за время τ по- падает на площадку размером порядка размера горячего пятна. По оценкам эта область меньше ширины полос- ки, поэтому правомерно в качестве более строго усло- вия использовать вместо размера горячего пятна ши- рину всей сверхпроводниковой полоски. Даже при таких условиях используемые в нашем эксперименте потоки фотонов являются малыми. На рис. 3 представ- лены зависимости количества фотоотсчетов от потока фотонов, измеренные на различных токах смещения детектора: 4, 5 и 6 мкА. Видно, что для всех токов сме- щения скорость фотоотсчетов пропорциональна первой степени потока фотонов. Однако можно показать, что такие зависимости бу- дут наблюдаться и в лавинном, и в «arm-trigger» режи- мах. Чтобы отличить один режим от другого, мы при- менили метод анализа статистики интервалов времени между двумя последовательными фотоотсчетами, кото- рый позволяет определить количество последовательно поглощенных фотонов, необходимое для перевода де- тектора в резистивное состояние в arm-trigger режиме. Мы записывали с помощью цифрового осциллогра- фа Tektronix DPO–70404С осциллограмму длительно- стью 10 мс с временным разрешением 800 пс. Такое временное разрешение позволяло получить как мини- мум одну точку на переднем фронте и еще 2–3 точки на заднем фронте в записи импульса, рис. 4. В резуль- тате мы получали множество моментов времени ti и соответствующие им значения мгновенного напряже- ния Ui. Далее программно определили моменты време- ни tiA, соответствующие появлению фотоотсчетов. В качестве критерия мы брали превышение напряжения над пороговым значением, что легко определить, так как амплитуда импульса напряжения UiA значительно больше амплитуды шума. Из массива tiA мы находим интервалы времени между всеми последовательными фотоотсчетами △ti = ti+1–ti. Затем строим гистограмму распределения данных интервалов времени, нормиро- ванную на число интервалов времени и их ширину. Если фотоны независимы и распределяются по зако- ну Пуассона, то вероятность попадания n фотонов на детектор за время t равна( ) e / !n tt n−νν , где ν — среднее Рис. 2. Эффективность детектирования на длине волны 1550 нм (○) и скорость темнового счета (·) в зависимости от тока смещения (а); результат расчета коэффициента погло- щения многослойной структуры исследуемых образцов (б). Рис. 3. (Онлайн в цвете) Зависимость количества фотоотсчетов от потока фотонов на длине волны 1550 нм при трех токах образца. Прямые линии соответствуют прямой пропорцио- нальности числа фотоотсчетов потоку фотонов. Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2018, т. 44, № 3 295 И.Н. Флоря, Ю.П. Корнеева, М.Ю. Михайлов, А.Ю. Девизенко, А.А. Корнеев, Г.Н. Гольцман число фотонов, падающих на детектор в единицу вре- мени. Пусть первый отсчет наблюдался в момент вре- мени t = 0. Вероятность второго отсчета в интервале времени от t до t + dt есть произведение вероятностей иметь ровно один фотон в интервале от t до t + dt и иметь n–1 фотонов в интервале от 0 до t. Вероятность первого события νdt, второго — 1( ) e / ( 1)!n tt n− −νν − , а их произведение равно 1( ) e / ( 1)!n tdt t n− −νν ν − . Полу- чим распределение временных интервалов между фо- тонами, т.е. плотность вероятности времени возникно- вения второго фотоотсчета, разделив полученное произведение вероятностей на dt: 1( ) ( ) e / ( 1)!n tt t n− −νρ = ν ν − (1) Измерения статистики фотоотсчетов выполнялись на мощностях 0,94, 2,77 и 7,3 пВт на длине волны 1550 нм, что соответствует 67,3 10 ,⋅ 72, 2 10⋅ и 75,7 10⋅ падающих фотонов в секунду. На рис. 5 пред- ставлены зависимости количества отсчетов от тока смещения. Прямоугольниками и овалами отмечены точ- ки, в которых исследовалась статистика фотоотсчетов по формуле (1). Типичные гистограммы распределений представлены на рис. 6. Гистограмма 6 (а) была изме- рена в точке Ib = 6 мкА при мощности 2,77 пВт. Из гис- тограммы видно, что для перевода детектора в резистив- ное состояние достаточно одного фотона (n = 1). Аналогичные гистограммы были получены и для точек при токах смещения 6, 6,5 и 7 мкА для всех исследуе- мых мощностей. Гистограмма 6 (б) была получена в точке Ib = 5 мкА при мощности 2,77 пВт. Наилучшая аппроксимация этой гистограммы уравнением (1) дос- тигается при n = 2, т.е. для возникновения отклика тре- буется 2 фотона. Поскольку исследуемые образцы со- стояли всего из трех сверхпроводящих слоев, статистические распределения при n > 2 наблюдать не удалось. Рис. 4. Фрагмент осциллограммы, полученной с помощью циф- рового осциллографа Tektronix DPO–70404С. Полная длитель- ность осциллограммы 10 мс, временное разрешение 800 пс. Рис. 5. (Онлайн в цвете) Зависимость отсчетов от тока смеще- ния. Падающая мощность варьировалась от 0,94 до 7,3 пВт. Прямоугольниками и овалами обозначены точки, в которых исследовалась статистика фотоотсчетов. В точках, обведен- ных черными прямоугольниками, наблюдался лавинный режим (n = 1), в точках, обведенных красными овалами, — «arm-trigger regime» (n = 2). Рис. 6. (Онлайн в цвете) Типичные гистограммы статистики распределения интервалов времени между двумя последова- тельными фотоотсчетами, соответствующие (a) n = 1 (лавин- ный режим) и (б) n = 2 («arm-trigger» режим). Сплошные красные линии — аппроксимации в соответствии с выраже- нием (1). 296 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2018, т. 44, № 3 Статистика фотоотсчетов сверхпроводникового однофотонного детектора из трехслойной пленки WSi Для всех использованных мощностей «arm-trigger» режим с n = 2 наблюдался для токов смещения менее 0,52 Ic, а лавинный режим (n = 1) начинал устойчиво наблюдаться при токах более 0,58 Ic. В интервале то- ков между 0,52 Ic и 0,58 Ic наблюдался смешанный ме- ханизм, связанный с переходом от n = 1 к n = 2. По- добное наблюдалось для всех исследованных образцов. Если предположить, что полоски во всех трех слоях одинаковы, токи между ними также распределяются оди- наково, а при поглощении фотона ток в полоске падает почти до нуля, то для образца из трех полосок переход от режима «arm-trigger» к лавинному режиму следовало бы ожидать при токе Ic/2. В наших экспериментах смена ре- жимов наблюдалась при несколько больших токах, что говорит либо о неоднородном распределении токов меж- ду полосками, либо о том, что ток в полоске, зарегистри- ровавшей фотон, не падает до нуля. 5. Заключение Мы показали возможность исполнения сверхпровод- никового однофотонного детектора в виде трехслойной структуры WSi/Si. Типичные квантовые эффективности составили около 30%, что ниже ожидаемого коэффици- ента поглощения и, по-видимому, обусловлено дефек- тами в изготовлении полосок и недостаточно низкой рабочей температурой. Исследуя статистику интервалов времени между двумя последовательными фотоотсчетами, нам удалось продемонстрировать как лавинный, так и «arm-trigger» режимы работы детектора. Смена режимов происходит в интервале токов ~ 0,5I–0,6 Ic, что, по всей видимости, обусловлено неоднородностью распределения токов между сверхпроводящими полосками в разных слоях либо тем, что ток в полоске, зарегистрировавшей фо- тон, не падает до нуля. Работа выполнена при поддержке технического за- дания № 88 на проведение научного исследования На- ционального исследовательского университета «Выс- шая школа экономики», гранта Минобрнауки России № 14.B25.31.0007, работа Г.Н. Гольцмана поддержана государственным заданием Минобрнауки России № 3.7328.2017/ВУ. _______ 1. G.N. Gol’tsman, O. Okunev, G. Chulkova, A. Lipatov, A. Semenov, K. Smirnov, B. Voronov, and A. Dzardanov, Appl. Phys. Lett. 79, 705 (2001). 2. C.M. Natarajan, M.G. Tanner, and R.H. Hadfield, Supercond. Sci. Technol. 25, 063001 (2012). 3. F. Marsili, V.B. Verma, J.A. Stern, S. Harrington, A.E. Lita, T. Gerrits, I. Vayshenker, B. Baek, M.D. Shaw, R.P. Mirin, and S.W. Nam, Nat. Photonics 7, 210 (2012). 4. A. Jafari Salim, A. Eftekharian, and A. Hamed Majedi, J. Appl. Phys. 115, 054514 (2014). 5. V.B. Verma, F. Marsili, S. Harrington, A.E. Lita, R.P. Mirin, and S.W. Nam, Appl. Phys. Lett. 101, 251114 (2012). 6. S. Krapick, M. Hesselberg, V.B. Verma, I. Vayshenker, S.W. Nam, and R.P. Mirin, E-print (2017). 7. M. Ejrnaes, R. Cristiano, O. Quaranta, S. Pagano, A. Gaggero, F. Mattioli, R. Leoni, B. Voronov, and G. Gol’tsman, Appl. Phys. Lett. 91, 262509 (2007). 8. F. Marsili, F. Najafi, C. Herder, and K.K. Berggren, Appl. Phys. Lett. 98, 093507 (2011). 9. F. Marsili, F. Najafi, E. Dauler, F. Bellei, X. Hu, M. Csete, R.J. Molnar, and K.K. Berggren, Nano Lett. 11, 2048 (2011). 10. J.M. Graybeal and M.R. Beasley, Phys. Rev. B 29, 4167 (1984). 11. E. Rosseel, M. Baert, K. Temst, C. Potter, V.V. Moshchalkov, Y. Bruynseraede, P. Lobotka, I. Vavra, R. Senderak, and M. Jergel, Phys. C 225, 262 (1994). 12. M.Yu. Mikhailov, O.I. Yuzephovich, A.S. Pokhila, Yu.V. Bomze, N.Ya. Fogel, I.M. Dmitrenko, S.A. Yulin, A.S. Sidorenko, and O.B. Moldovan, Fiz. Nizk. Temp. 25, 850 (1999) [Low Temp. Phys. 25, 635 (1999)]. ___________________________ Photon counting statistics of a superconducting single-photon detector made of a three-layer WSi film I.N. Florya, Yu.P. Korneeva, M.Yu. Mikhailov, A.Yu. Devizenko, A.A. Korneev, and G.N. Goltsman Superconducting nanowire single-photon detectors (SNSPD) are successfully used in quantum optics, when a record-breaking time resolution, high speed and record low level of dark counts are required. However, the SNSPD detection efficiency is limited by the absorption coefficient of the radiation by the ultrathin supercon- ducting film. One of the promising ways to increase the absorption in the detector without limiting its broadband is to make the detector in the form of several vertically stacked layers and connecting them in parallel. For the first time, we studied single-photon detection in a multi- layer structure consisting of three superconducting layers of amorphous tungsten silicide (WSi) separated by thin layers of amorphous silicon. We demonstrated two modes of operation of the detector: the avalanche regime and the arm-trigger regime, and determined that the regime change occurs in the bias current range of ~ 0.5-0.6 of the detector superconducting critical current. PACS: 74.78.-w Superconducting films and low- dimensional structures 85.25.Pb Superconducting infrared, submillimeter and millimeter wave detectors. Keywords: thin superconducting films, superconduct- ing single photon detectors, detection efficiency, pho- ton counting statistics, tungsten silicide. Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2018, т. 44, № 3 297 https://doi.org/10.1063/1.1388868 https://doi.org/10.1063/1.1388868 https://scholar.google.ru/citations?view_op=view_citation&hl=en&user=imD210EAAAAJ&citation_for_view=imD210EAAAAJ:u-x6o8ySG0sC https://doi.org/10.1088/0953-2048/25/6/063001 https://doi.org/10.1038/nphoton.2013.13 https://doi.org/10.1063/1.4864131 https://doi.org/10.1063/1.4864131 https://doi.org/10.1063/1.4768788 http://arxiv.org/abs/1706.00004 https://doi.org/10.1063/1.2828138 https://doi.org/10.1063/1.2828138 https://doi.org/10.1063/1.3560458 https://doi.org/10.1063/1.3560458 https://doi.org/10.1021/nl2005143 https://doi.org/10.1103/PhysRevB.29.4167 https://doi.org/10.1016/0921-4534(94)90722-6 https://doi.org/10.1063/1.593792 1. Введение 2. Методика изготовления образцов 3. Экспериментальная установка 4. Результаты и обсуждение 5. Заключение

Статистика фотоотсчетов сверхпроводникового однофотонного детектора из трехслойной пленки WSi

Institution

Ähnliche Einträge