Квантовая эффективность сверхпроводникового однофотонного детектора на основе тонкой плёнки NbN тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат наук Корнеева, Юлия Петровна

• Корнеева, Юлия Петровна
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Корнеева, Юлия Петровна

Оглавление

Список сокращений

Введение

Глава 1. Обзор литературы и постановка задачи

1.1 Существующие приборы и методы для однофотонного детектирования

1.2 Механизм отклика сверхпроводниковых однофотонных детекторов БЭРИ

1.3 БЭРБ в виде параллельных полос

1.4 ББРО, интегрированный в четвертьволновый резонатор

1.5 Выбор объекта исследования и постановка задачи

Глава 2. Технология изготовления образцов

2.1 Установки и резисты для изготовления исследуемых образцов

2.2 Технология изготовления образцов в виде параллельных полосок

2.3 Технология изготовления образцов, интегрированных в четвертьволновый резонатор

2.4 Выводы

Глава 3. Методика эксперимента

3.1 Методика измерения квантовой эффективности и скорости темно вого счета

3.2 Методика исследования спектральной чувствительности образцов

3.3 Методика исследования отклика образца в виде параллельных полос на одиночные фотоны с длиной волны 10 мкм

3.4 Методика анализа статистики интервалов времени между фотоотсчётами

3.5 Выводы

Глава 4. Квантовая эффективность ЭБРО в виде меандра

4.1 Исследование спектральной зависимости квантовой эффективности ЭБРЭ в виде меандра в магнитном поле

4.2 Исследование спектральной зависимости квантовой эффективности от ширины сверхпроводящей полоски и тока смещения

4.3 Выводы

Глава 5. Сверхпроводниковый однофотонный детектор в виде

параллельных полосок

5.1 Фотоотклик сверхпроводникового однофотонного детектора в виде параллельных полосок

5.2 Численное моделирование фотоотсчётов и темновых отсчётов образца

5.3 Статистическое исследование распределения интервалов времени между двумя последовательными фотооткликами

5.4 Выводы

Глава 6. Однофотонный детектор с четвертьволновым резонатором

6.1 Оптический четвертьволновый резонатор и матричный метод

для расчета многослойных структур

6.2 Исследование спектральной зависимости БЭРБ, интегрированного в микрорезонатор

6.3 Выводы

Заключение

Список публикаций автора Литература

Список сокращений

ИК — инфракрасный ФЭУ — фотоумножитель ЛФД — лавинный фотодиод

SSPD — сверхпроводниковый однофотонный детектор (Superconducting Single-Photon Detector) Т — температура Тс — критическая температура d — толщина плёнки w — ширина сверхпроводящей полоски

А — величина сверхпроводящей щели при данной температуре Д(0) — величина сверхпроводящей щели при Т =0 К £ — длина когерентности при данной температуре £(0) — длина когерентности при Т =0 К

Хм — глубина проникновения магнитного поля при данной температуре

D — коэффициент диффузии

Lth — длина термализации

Ttk — время термализации

тер — электрон-фононное время

тсз — время ухода неравновесных фононов в подложку

ср — фононная теплоёмкость

се — электронная теплоёмкость

С — концентрация квазичастиц

Со — равновесная концентрация квазичастиц

Сп — концентрация квазичастиц при Т = Тс

N(0) — плотность состояний в нормальном металле на уровне Ферми Rs — сопротивление квадрата плёнки т — характерное время ухода фононов /с — критический ток

Idep — ток распаривания Гинзбурга-Ландау

j — плотность тока

jc — плотность критического тока

Lfc — кинетическая индуктивность

La — кинетическая индуктивность квадрата тонкой плёнки

г] — квантовая эффективность

Vint ~ внутренняя квантовая эффективность

Nph — число фотонов, попавших на детектор

Nc — число фотоотсчетов детектора

Ndk — скорость темнового счёта (число ложных срабатываний в секунду) Nrnax — максимальная скорость счёта детектора Ttts — временное разрешение (джиттер) А — длина волны излучения Р — мощность источника излучения кь — постоянная Больцмана h — постоянная Планка с — скорость света

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Квантовая эффективность сверхпроводникового однофотонного детектора на основе тонкой плёнки NbN»

Введение

Диссертационная работа посвящена экспериментальному исследованию механизма возникновения резистивного состояния в сверхпроводниковых наноструктурах в виде полосок шириной 40-150 нм из ультратонкой пленки нитрида ниобия (МЫЧ) при поглощении одиночных фотонов видимого и инфракрасного (ИК) диапазонов, а также исследованию методов повышения вероятности возникновения резистивного состояния в этих наноструктурах при поглощении фотона, т.е. повышению квантовой эффективности. Важной составной частью диссертации является разработка технологии изготовления исследуемых наноструктур и технологии интегрирования сверхпроводниковых Г^ЬК наноструктур с оптическими микрорезонаторами.

В работе отражены результаты исследований, проведенных в 2010-2014 годах, в рамках проектов, в которых автор являлся одним из основных исполнителей: Российского Фонда Фундаментальных Исследований (грант №12-0231841); Министерства образования и науки Российской Федерации (государственные контракты Ж№14.В25.31.0007, № 14.В37.21.1631, 2.830.2011)

Актуальность исследования определяется получением новых знаний об особенностях возникновения резистивного состояния в сверхпроводниковых структурах нанометрового масштаба при взаимодействии с одиночными фотонами видимого и инфракрасного (ИК) диапазонов, а также применением полученных знаний для создания высокочувствительных и быстродействующих приемников излучения: детекторов одиночных фотонов видимого и инфракрасного диапазонов.

Развитие науки и техники ведёт к широкому применению квантовых технологий в самых разных областях. Это и квантовые методы обработки и хра-

нения информации [1, 2, 3], и абсолютные эталоны физических величин, и новые методы исследований с использованием квантовых симуляторов [4, 5]. При этом квантовые системы реализуются на различных физических принципах. Это могут быть охлаждённые атомы, сверхпроводниковые системы, использующие эффект Джозефсона или квантование магнитного потока, полупроводниковые квантовые точки, оптические системы, оперирующие одиночными фотонами. Последние оказались наиболее удобными для экспериментальной реализации. Так, именно с фотонами были экспериментально поставлены многие мысленные эксперименты времён разработки основ квантовой механики в начале двадцатого века, например, экспериментальная проверка парадокса Эйнштейна-Подольского-Розена и проверка неравенства Белла. Следующим важным шагом к практическому применению квантовых оптических систем стала успешная реализация оптических волноводов на чипе, а также реализация в волноводном исполнении основных оптических элементов: делителей луча, фильтров, модуляторов, и пр. Это позволяет создавать компактные и легко масштабируемые сложные оптические системы. Если раньше оптическая схема с распространением света в свободном пространстве занимала целый оптический стол и требовала многочасовой юстировки, то теперь такая схема умещается на чипе площадью несколько квадратных сантиметров [6, 7, 8, 9].

Однако, для дальнейшего развития квантовой оптики, а также её практического применения требуются однофотонные детекторы, обладающие квантовой эффективностью близкой к 100%, темновым счётом менее одного отсчёта в секунду, гигагерцовой скоростью счёта фотонов и пикосекунд-ным временным разрешением. И, если в видимом и инфракрасном диапазонах до длины волны 900 нм с этими задачами более или менее справляются кремниевые однофотонные лавинные диоды (ЛФД) и фотоумножители

(ФЭУ), то в диапазоне длин волн 900 им - 1600 им традиционно и широко используемые однофотонные лавинные фотодиоды на основе InGaAs имеют сущсствсныс недостатки: при квантовой эффективности около 30% на длине волны 1550 нм темповой счёт таких ЛФД достигает 104 отсчётов в секунду. Из-за этого InGaAs ЛФД практически всегда используются в так называемом «gatod-mode» режиме, т.е. смещение на диод подаётся только в пределах короткого временного окна, когда ожидается появление фотона. Это усложняет оптическую схему и увеличивает длительность эксперимента. Второй недостаток InGaAs ЛФД - так называемые «послеимпульсы» («afterpulsing»), т.е. основной импульс тока, возникающий при поглощении фотона, сопровождается чередой спонтанных импульсов. Природа таких импульсов, как правило, в захвате и последующем спонтанном высвобождении носителей в полупроводнике. Существование «послеимпульсов» заметно снижает максимальную скорость счёта фотонов до нескольких десятков мегагерц. Временное разрешение (или джиттер) у InGaAs ЛФД обычно не ниже 300 пс, что уже недостаточно для многих современных экспериментов и практических применений.

Отмстим также, что на длинах волн больше 1600 нм практически нет коммерчески доступных однофотонных детекторов. Для регистрации одиночных фотонов в этом диапазоне приходится пользоваться различными новыми видами детекторов, многие из которых ещё находятся в стадии лабораторных образцов, как, например, детекторы на основе квантовых точек или детекторы на основе одноэлектронных транзисторов. В целом, наиболее развитым типом детекторов на длинах волн более 1600 нм являются сверхпроводниковые болометры (Transition Edge Sensor, или TES). Они обладают близкой к 100% эффективностью детектирования, способны различать энергию фотона либо количество фотонов, имеют малый темновой счёт. Однако, они не лишены серьёзных недостатков, препятствующих их широкому распространению.

В первую очередь, это очень низкое быстродействие: максимальная скорость счёта фотонов не превышает сотен килогерц при микросекундном джитте-рс. Вторым недостатком является малый динамический диапазон, без специальных мер фильтрации болометры легко насыщаются фоновым излучением комнатной температуры. Наконец, типичные рабочие температуры таких болометров около 100 мК, что требует дорогостоящего криогенного оборудования, кроме того, работа точно при температуре сверхпроводящего перехода требует использования сложной схемы стабилизации рабочей темппературы.

В 2000 г. научной группой под руководством Г.Н. Гольцмана на базе Московского педагогического государственного университета был создан новый тип свсрхпроводникового однофотонного детектора на основе ультратонкой пленки NbN, получивший название «Superconducting Single Photon Detector» (SSPD) или также часто встречающееся «Superconducting Nanowire Single Photon Detector» (SNSPD). В отличие от TES, этот детектор, представляющий собой полоску сверхпроводника шириной около 100 нм и толщиной 4нм, работает при температуре порядка 20%—50% от критической и при токе, близком к критическому. При такой же и даже несколько лучшей эффективности детектирования в интервале длин волн 1-1,5 мкм, как у лучших InGaAs ЛФД, NbN SSPD превосходит их по быстродействию, временному разрешению и уровню темпового счёта. Благодаря высоким характеристикам этот детектор нашёл целый ряд практических применений: неразрушающее тестирование интегральных микросхем [10], регистрация фотолюминесценции квантовых точек с высоким временным разрешением [11,12, 13,14], в том числе, на длинах волн более 1,7 мкм [15], регистрация незаряженных органических молекул [16] и ионов [17, 18]. В системах квантовой криптографии SSPD обеспечивает максимальную дальность распределения ключа [19, 20, 21]. И уже совсем недавно появились сообщения об успешном изготовлении SSPD,

на поверхности оптического волновода [22, 23], что открывает путь использования этого устройства в оптических микросхемах и позволяет теперь на одном чипе иметь не только различные оптические элементы, но и однофо-тонные детекторы.

На сегодняшний день, благодаря востребованности в практических применениях и возможности эффективного согласования с одномодовым оптоволокном, ЭБРО стал коммерческим продуктом, пользующимся спросом на рынке высокотехнологичного приборостроения [24, 25, 26]. Но, несмотря на успешное коммерческое использование ЭБРО, многие вопросы о физике его работы остаются до конца не объяснёнными. В первую очередь, это механизм возникновения резистивного состояния после поглощения фотона и связанный с ним вопрос повышения квантовой эффективности в области длинных волн. Так, если относительно начальной стадии релаксации энергии после поглощения фотона у большинства исследователей нет особых разногласий - все разделяют идею, предложенную уже в первых же работах по ЭЭРБ [27, 28], о формировании каскада квазичастиц и образовании области с подавленной сверхпроводимостью («горячего пятна»), то относительно последующего процесса возникновения резистивности существует несколько гипотез, ни одна из которых пока не получила твёрдого экспериментального подтверждения. Между тем, исследование неравновесных явлений в узких сверхпроводящих полосках имеет важное фундаментальное и прикладное значение не только для объяснения работы БЭРБ, по и для объяснения процессов, происходящих в других похожих типах сверхпроводниковых наноструктур. Например, обнаруженное недавно квантовое когерентное проскальзывание фазы в узких сверхпроводящих полосках [29] перспективно для создания нового типа кубитов или, например, для создания квантового стандарта тока.

Именно этим определялись цели и круг решаемых задач настоящего диссертационного исследования.

Цели работы - исследование процессов, приводящих к формированию резистивиого состояния в сверхпроводящих наноструктурах в виде полосок шириной от 40 им до 150 нм из плёнки NbN толщиной 4 им при поглощении одиночных фотонов видимого и ближнего инфракрасного диапазона, сравнение экспериментальных результатов с существующими моделями возникновения резистивного состояния, повышение квантовой эффективности таких наноструктур на длинах волн более 1,5 мкм путем уменьшения ширины полоски, а также исследование способа повышения квантовой эффективности с помощью оптических микрорезоиаторов.

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

1. Экспериментально исследовать спектральную зависимость эффективности детектирования фотона (вероятности возникновения отклика) и спектральную зависимость эффективности детектирования в магнитном поле сверхпроводниковых NbN полосок шириной 80-150 нм. Сопоставить полученные экспериментальные результаты с существующими теоретическими моделями и выделить из этих теорий условия, соответствующие длине волны отсечки (критической длине волны), получив численные выражения, зависящие от параметров сверхпроводниковой полоски, которые могут быть измерены экспериментально.

2. Разработать технологию изготовления структур на основе пленки NbN толщиной 4 им в виде нескольких десятков полосок шириной порядка 40-50 им с сохранением высокой температуры сверхпроводящего перехода, имеющейся в пленке, и наличием высоких плотностей критического тока; изучить механизм фотоотклика в сверхпроводящих полосках, соединенных параллельно и разработать модель возникновения отсчетов

в таких структурах; исслсдовать зависимость квантовой эффективности от тока смещения, длины волны излучения и температуры; исследовать статистику фотоотсчётов.

3. Разработать технологию изготовления оптического четвертьволнового резонатора, интегрированного со сверхпроводниковым одиофотонным детектором SSPD, позволяющую освещать детектор со стороны наноструктуры. Исслсдовать вклад микрорезонатора в увеличение квантовой эффективности NbN SSPD.

Объектами исследования были выбраны:

1. Наноструктуры из плёнки NbN толщиной 4 нм в виде полоски шириной 85-156 нм, изогнутой в форме меандра, площадью 4 мкм х 4 мкм и 7 мкм х 7 мкм.

2. Наноструктуры из плёнки NbN толщиной 4 нм в виде параллельно соединённых сверхпроводящих полосок, шириной 40-130 нм с зазором между полосками 50-150 нм, площадью 7 мкм х 7 мкм или 10 мкм х 10 мкм.

3. Наноструктуры из плёнки NbN толщиной 4 нм в виде полоски шириной 100-120 нм, изогнутой в форме меандра, площадью 7 мкм х 7 мкм, интегрированные в оптический микрорезоиатор, состоящий из слоя диэлектрика толщиной в четверть длины волны и металлического зеркала, двумя способами: резонатор, изготовливается «сверху» наноструктуры; резонатор, изготавливается снизу, т.е. на подложке, а уже на нём формируются NbN полоски.

Предметом являлись эффекты формирования резистивного состояния в сверхпроводниковых наноструктурах при поглощении фотонов видимого и

инфракрасного диапазонов; технология создания сверхпроводниковых наноструктур в виде полосок шириной 40-50 им и технология интегрирования сверхпроводниковых структур в оптические микрорезонаторы.

В работе использовались следующие методы:

• Технологические: метод магнетронного осаждения металлических пленок, метод электронно-лучевого осаждения диэлектрических пленок, метод резистивного осаждения металлических пленок, фотолитография, электронная литография, метод плазмохимического, химического и ионного травлений;

• Измерительные: метод измерения квантовой эффективности, метод измерения уровня темпового счета, метод исследования спектральных характеристик, метод исследования статистики фотоотсчётов.

Новые научные результаты, полученные в ходе выполнения работы:

1. Экспериментально обнаружен эффект повышения вероятности детектирования одиночных фотонов в полосках шириной 104 нм и 148 нм на основе ультратонкой пленки в магнитном поле выше 25 мТл, который предсказывался вихревой моделью, основанной на подавлении свободной энергии в сверхпроводнике за счет пересечения абрикосов-ским вихрем полоски.

2. Исследована спектральная зависимость внутренней эффективности од-нофотонного детектирования сверхпроводниковыми полосками №>К ширинной 85-155 нм и проведено сравнение экспериментальных данных с существующими теоретическими моделями. Полученные результаты в видимой и ближней ИК области излучения лучше всего объясняются моделью горячего пятна, которая предполагает полное разрушение потенциального барьера высокоэнергичными фотонами и беспрепятствен-

иое проникиовсние туда вихрей, а в средней ИК области - частичным подавлением барьера и проникновением абрикосовских вихрей в полоску под действием термодинамических флуктуаций.

3. Разработаны методы наноструктурирования сверхпроводящей плёнки, обеспечивающие изготовление полосок шириной 40 нм и расстоянием между полосками 90 нм. Предложенная технология позволяет получить наноструктуры с основными сверхпроводящими характеристиками, близкими к их значениям в объемном материале.

4. Показано, что уменьшение ширины сверхпроводящей полоски до 40 нм приводит к повышению квантовой эффективности в диапазоне длин волн 1 мкм - 3.5 мкм по сравнению с полоской 100-120 нм. Продемонстрирован однофотонный отклик наноструктур с шириной полоски 40 нм на излучение с длиной волны 10 мкм. Исследованы величина отклика, квантовая эффективность, спектральная чувствительность и уровень тем нового счёта таких наноструктур.

5. Исследована статистика фотоотсчетов сверхпроводниковых наноструктур в виде 50-70 параллельных полос, создана модель механизма регистрации фотонов такими наноструктурами.

6. Разработана технология интегрирования оптических четвертьволновых микрорезонаторов с NbN полосками для увеличения коэффициента поглощения тонкой пленки и исследована спектральная чувствительность таких микроструктур.

На защиту выностятся следующие положения:

1. Продемонстрирован эффект увеличения вероятности регистрации фотона в КЬЫ сверхпроводниковых полосках шириной 100-150 нм в диа-

пазоне длин волн 450-900 нм в магнитных полях от 25 мТл до 250 мТл, который объясняется моделью абрикосовских вихрей, пересекающих сверхпроводящую полоску.

2. На спектральных зависимостях квантовой эффективности сверхпроводниковых полосок показано линейное увеличение критической длины волны с 500 нм до 1000 нм с уменьшением ширины полоски со 155 нм до 85 нм; на коротковолновом участке эффективность выходит на насыщение, а на длинноволновом спадает по экспоненциальному закону. Первый участок описывается моделью горячего пятна, а второй - пересечением полоски абрикосовским вихрем. Критическая длина волны обратно пропорциональна ширине полоски, в соответствии с моделью горячего пятна.

3. Установлено, что на длине волны 3.5 мкм квантовая эффективность NbN сверхпроводниковой полоски шириной 40 нм увеличивается в 10 раз по сравнению с квантовой эффективностью полоски шириной 120 нм. На таких нанополосках продемонстрирован однофотонный отклик на длине волны 10 мкм.

4. Количество последовательно поглощенных фотонов, необходимых для возникновения импульса напряжения в NbN структуре, состоящей из 50-70 параллельных полос, зависит от тока смещения: при токах, 0.8 -0.95 от критического, требуется 6-7 фотонов; при токах, более 0.98 от критического, достаточно 2-х фотонов.

5. Включение сверхпроводникового однофотонпого детектора в оптический микрорезонатор, состоящий из металлического зеркала и слоя диэлектрика, оптической толщиной в четверть длины волны, позволяет

освещать детектор со стороны наноструктуры и увеличивает квантовую эффективность на резонансной длине волны в 3 раза.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных методов исследования и современного оборудования, согласованностью полученных данных с теоретическими и экспериментальными исследованиями других ведущих научных групп, согласованностью результатов, получаемых при проведении пошагового исследования на всех этапах работ, а также функционированием практических устройств, созданных с использованием результатов проведенных исследований.

Практическая значимость работы состоит как в продвижении технологии однофотонного детектирования в длины волн более 1550 им, так и в повышении чувствительности в ближнем ИК диапазоне благодаря интеграции детектора в четвертьволновый оптический микрорезопатор. Отметим, что в настоящее время сверхпроводниковые однофотонные детекторы SSPD успешно коммерциализуются инновационной компанией «Сверхпроводниковые нанотехнологии» («Сконтел»), созданной преподавателями, научными сотрудниками и аспирантами МПГУ. Результаты настоящего диссертационного исследования также найдут применение в практических однофотонных приёмных системах.

Таким образом, проведенное исследование соответствует паспорту специальности 01.04.05 —Оптика .

Апробация результатов Результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались на следующих конференциях:

• Applied Superconductivity Conference, Вашингтон, США (2010);

• 4-я Всероссийская конференция молодых учёных «Микро- нанотехнологии и их применение», Черноголовка, Россия (2010);

3-я Международная научная конференция «Функциональная компонентная база микро, опто- и наноэлектроники», Харьков, Украина (2010);

The 3rd International Conference on Updating Quantum Cryptography and Communications, Токио, Япония (2010);

International Symposium "Terahertz Radiation: generation and application "joined with Scientific School-Workshop, Новосибирск, Россия (2010);

Международная конференция "Фундаментальные основы лазерных микро- и нанотехнологий Санкт-Петербург, Россия (2010);

21-я международная научно-техническая конференция по фотоэлектронике и приборам ночного видения, Москва, Россия (2010);

XIV-й XV-й, XVI-й, XVII-й симпозиумы «Нанофизика и наноэлектро-ника», Нижний Новгород, Россия (2010, 2011, 2012, 2013);

15-й Юбилейный Международный молодежный форум «Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке», Харьков, Украина (2011)

Научно-техническая конференция-семинар "Фотоника и информационная оптика, Москва, Россия, (2011);

European Conference on Applied Superconductivity, Гаага, Нидерланды (2011);

The 7th International Conference on Photonics, Devices and System, Прага, Чехия (2011);

Applied Superconductivity Conference, Портланд, США (2012);

• Applied Superconductivity Conference, Charlotte NC, USA (2014)

Личный вклад автора

В диссертации изложены результаты работ, выполненных автором лично и в соавторстве с коллегами.

Разработка планариой тонкопленочной технологии сверхпроводпиковых NbN детекторов была выполнена совместно с Б.М. Вороновым, наставником автора в области сверхпроводниковой технологии тонких пленок.

Исследования детекторов в виде одиночных полосок были выполнены совместно с сотрудниками Института Планетарных Исследований, Немецкого Астрокосмического Центра (Institute of Planetary Research, German Aerospace Center) с P. Луше и А.Д. Семеновым (R. Lusche, A.D. Semenov).

Исследования детекторов в виде параллельных полос были выполнены совместно с И.Н. Флорей, А.В.Семеновым, А.А. Корнеевым.

Исследования детекторов, интегрированных в оптический четвертьволновый резонатор, были проведены совместно с Н.Н. Мановой.

Личный вклад автора в представляемых исследованиях состоял в постановке задачи исследования, в разработке или выборе метода её решения, в проведении экспериментальных исследований, в анализе полученных результатов. Все результаты, выносимые на защиту, получены автором лично или при его определяющем вкладе.

Публикации

По результатам проведенных исследований опубликовано 33 работы, из которых: 13 - статьи в журналах, входящих в Перечень изданий, рекомендованных ВАК Минобразования и науки РФ; 20 докладов на международных и российских конференциях с публикацией тезисов докладов.

Объём и структура диссертации Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитиру-

омой литературы. Диссертационная работа изложена на 201 странице, включая 64 рисунка, 9 таблиц и список литературы из 127 наименований.

Во введении сформулированы цель и задачи диссертационной работы, обусловлена её актуальность, представлены защищаемые положения, научная новизна, выбор объекта и методов исследования, практическая значимость работы.

В первой главе представлен обзор, посвященный существующим видам однофотонных детекторов, проводится сравнительный анализ сверхпроводниковых и полупроводниковых однофотонных детекторов. Описываются теоретические и экспериментальные работы, посвященные исследованию механизма однофотонного детектирования. Представлены результаты работ по изучению БЗРБ с конфигурацией чувствительного элемента в виде параллельных полос и детекторов, интегрированных в четвертьволновый резонатор.

Во второй главе приведены результаты исследований и разработки технологии создания на основе пленок структур в виде параллельных полос с размером в плане порядка 40-50 нм и структур, интегрированных в четвертьволновый оптический микрорезонатор.

В третьей главе описываются экспериментальные методики и экспериментальные установки для исследования сверхпроводниковых структур.

В четвертой главе представлены результаты исследований спектральных характеристик и спектральных характеристик в магнитном поле наноструктур в виде одиночных сверхпроводниковых Г^ЬЫ полосок шириной 85-155 нм.

В пятой главе приводятся результаты исследований образцов в виде 5070 параллельных полос, и на основе этих результатов строится модель, описывающая механизм возникновения отсчетов в таких детекторах.

В шестой главе представлены экспериментальные результаты исследова-

пия квантовой эффективности сверхпроводникового однофотонного детектора, интегрированного в четвертьволновый оптический микрорезонатор. Экспериментальные результаты сравниваются с модельными расчетами.

В заключении обобщаются результаты диссертационной работы и делаются выводы.

Глава 1. Обзор литературы и постановка задачи

В главе дан обзор существующих видов однофотонных детекторов. Изложены модели, описывающие принцип работы сверхпроводникового одно-фотонного детектора. Осуществляется выбор объекта исследования и постановка задачи.

В §1.1 приведен обзор существующих видов однофотонных детекторов и сравнение основных характеристик полупроводниковых и сверхпроводниковых детекторов.

В §1.2 представлены модели, описывающие механизм работы сверхпроводникового однофотонного детектора БЭРБ. Рассмотрены процессы образования резистивных состояний в сверхпроводящей полоске после поглощения светового кванта за счет появления и разрастания горячего пятна, за счет движения магнитных вихрей и центров поскальзывания фазы.

В §1.3 представлены результаты работ, в которых рассматриватся ЭБРО с новой конфигурацией чувствительного элемента, в виде параллельных полос. Описаны модели, объясняющая механизм работы такого детектора.

В §1.4 приведен обзор работ по исследованию детекторов, интегрированных в четвертьволновые резонаторы и оптические наноантенны.

В §1.5 осуществляются выбор объекта исследования и постановка задачи.

1.1 Существующие приборы и методы для однофотонного детектирования

Исторически первыми однофотонными детекторами, получившими широкое распространение были фотоэлектронные умножители (ФЭУ) Их од-

нофотонная чувствительность была продемонстрирована в 1949 г [30]. Эти детекторы давно стали коммерчески доступными [31, 32], и, несмотря на появление других типов однофотонных детекторов, таких, как лавинные фотодиоды, ФЭУ всё ещё востребованы на рынке. Механизм регистрации фотонов ФЭУ основан на внешнем фотоэффекте (выбивании электрона из фотокатода при поглощении фотона) и последующем каскадном размножении лавины: один фотон способен вызвать рождение 10° электронов.

Среди достоинств ФЭУ большой размер чувствительного элемента: до 10 мм в диаметре и и возможность работы во всём спектральном диапазоне от ~100 нм до 1700 нм. Однако чувствительность ФЭУ сильно зависит от длины волны. Максимальная эффективность (вероятность возникновения лавины при поглощении фотона) у ФЭУ с фотокатодом из GaAsP составляет 40% на длине волны 500 нм при 100 Гц темновых отсчётов. Скорость счета у данных приборов достигает 10 МГц, временное разрешение (временная нестабильность переднего фронта или джиттер) при этом 300 пс [33]. В ближнем ИК диапазоне эффективность ФЭУ существенно снижается. Так для телекоммуникационного диапазона длин волн коммерчески доступны ФЭУ с фотокатодами на основе InP/InGaAs. При охлаждении до температуры 200 К эти ФЭУ демонстрируют квантовую эффективность 2% на длине волны 1550 нм при скорости темнового счета 200 кГц и джиттере 300 пс [34]. Для работы ФЭУ необходимы высокие напряжения, кроме того они достаточно хрупкие и громоздкие, что делает невозможным их использование в интегрированных на одном чипе оптических микросхемах.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Корнеева, Юлия Петровна, 2014 год

Литература

[1] С. Monroe. Quantum information processing with atoms and photons. Nature, 416 стр. 238-246, 2002.

[2] John Clarke Frank K. Wilhelm. Review article superconducting quantum bits. Nature, 453 стр. 1031-1042, 2008.

[3] Т. D. Ladd, F. Jelezko, R. Lafiamme, Y. Nakamura, C. Monroe, J. L. O'Brien. Quantum computers. Nature, 464 стр. 45-53, 2010.

[4] J. Ignacio Cirac Peter Zoller. Goals and opportunities in quantum simulation. Nature Physics, 8 стр. 264—266, 2012.

[5] I. M. Georgescu, S. Ashhab, Franco Nori. Quantum simulation. Rev. Mod. Phys., 86 стр. 153, 2014.

[6] Vilson R. Almeida, Carlos A. Barrios, Roberto R. Panepucci, Michal Lipson. All-optical control of light on a silicon chip. Nature, 431 стр. 1081-1084, 2004.

[7] Paul G. Kwiat. Quantum information: An integrated light circuit. Nature, 453 стр. 294-295, 2008.

[8] Sajeev John. Photonics: Light control at will. Nature, 460 стр. 337, 2009.

[9] Oliver Benson. Assembly of hybrid photonic architectures from nanophotonic constituents. Nature, 480 стр. 193-199, 2011.

[10] S. Somani, S. Kasapi, K. Wilsher, W. Lo, R. Sobolewski, G. Gol'tsman. New photon detector for device analysis: Superconducting single-photon detector

based on a hot electron effect. J. Vac. Sci. Technol. D, 19(6) стр. 2766-2769, 2001. see also http://www.nptest.com/products/probe/idsOptica.htm.

[11] R. Hadfield, M. Stevens, S. Gruber, A. Miller, R. Schwall, R. Mirin, S. W. Nam. Single photon source characterization with a superconducting single photon detector. Optics Express, 13(26) стр. 10846, 2005.

[12] M. Stevens, R. Hadfeld, R. Schwall, S. W. Nam, R. Mirin. Quantum dot single photon sources studied with superconducting single photon detectors. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electrinics, 12(6) стр. 1255, 2006.

[13] M. Stevens, R. Hadfield, R. Schwall, S. W. Nam, R. Mirin, J. Gupta. Fast lifetime measurements of infrared emitters using a low-jitter superconducting single-photon detector. Applied Physics Letters, 89 стр.

' 031109, 2006.

[14] R. Hadfield, M. Stevens, R. Mirin, S. W. Nam. Single-photon source characterization with twin infrared-sensitive superconducting single-photon detectors. J. Appl Phys101 стр. 103104, 2007.

[15] D. Elvira, A. Michon, B. Fain, G. Patriarche, G. Beaudoin, I. Robert-Philip, Y. Vachtomin, A. V. Divochiy, К. V. Sinirnov, G. N. Goltsman, I. Sagnes, A. Beveratos. Time-resolved spectroscopy of inasp/inp(001) quantum dots emitting near 2/яп. Appl. Phys. Lett., 97 стр. 131907, 2010.

[16] Markus Marksteiner, Alexander Divochiy, Michele Sclafani, Philipp Ilaslinger, Hendrik Ulbricht, Alexander Korneev, Alexander Semenov, Gregory Gol'tsman, Markus Arndt. Superconducting NbN detector for neutral nanoparticles. Nanotechnology, 20 стр. 455501, 2009.

[17] A. Casaburi, N. Zen, К. Suzuki, M. Ejrnaes, S. Pagano, R. Cristiano, M. Ohkubo. Subnanosecond time response of large-area superconducting stripline detectors for keV molecular ions. Appl. Phys. Lett., 94 стр. 212502, 2009.

[18] Koji Suzuki, Shigetorno Shiki, Masahiro Ukibe, Masaki Koike, Shigehito Miki, Zhen Wang, Masataka Ohkubo. Hot-spot detection model in superconducting nano-stripline detector for keV ions. Applied Physics Express, 4 стр. 083101, 2011.

[19] R. Hadfield, J. Habif, J. Schlafer, R. Schwall, S. W. Nam. Quantum key distribution at 1550 nm with twin superconducting single-photon detectors. Applied Physics Letters, 89 стр. 241129, 2006.

[20] H. Takesue, S. W. Nam, Q. Zhang, R. Hadfield, T. Honjo, K. Tamaki, Y. Yamamoto. Quantum key distribution over a 40-db channel loss using superconducting single-photon detectors. Nature Photonics, 1 стр. 343-348, 2007.

[21] D. Stucki, N. Walenta, F. Vannel, R. T. Thew, N. Gisin, H. Zbinden, S. Gray, C. R. Towery, S. Ten. High rate, long-distance quantum key distribution over 250 km of ultra low loss fibres. New J. of Physics, 11 стр. 075003, 2009.

[22] J. P. Sprengers, A. Gaggero, D. Sahin, S. Jahanmiri Nejad, G. Frucci, F. Mattioli, R. Leoni, J. Beetz, M. Lermer, M. Kamp, S. Höfling, R. Sanjines, A. Fiore. Waveguide superconducting single-photon detectors for integrated quantum photonic circuits. Appl. Phys. Lett., 99 стр. 181110, 2011.

[23j W. Pernice, C. Schuck, 0. Minaeva, M. Li, G. Goltsman, A. Sergienko, H. Tang. High speed travelling wave single-photon detectors with near-unity quantum efficiency. Nature Communications, 3 стр. 1325, 2012.

[24] http://www.scontel.ru/ps_reseivers.html.

[25] http://www.singlequantum.com.

[26[ http://www.photonspot.com.

[27] A. Semenov, G. Gol'tsman, A. Korneev. Quantum detection by current carrying superconducting film. Physica C, 352 стр. 349-356, 2001.

[28] G. Gol'tsman, О. Okunev, G. Chulkova, A. Lipatov, A. Semenov, K. Smirnov, B. Voronov, A. Dzardanov, C. Williams, R. Sobolewski. Picosecond superconducting single-photon optical detector. Applied Physics Letters, 79 стр. 705-707, 2001.

[29] O.V. Astafiev, L.B. Ioffe, S. Kafanov, Yu.A. Psshkin, K.Yu. Arutyunov, D.Shahar, O.Cohen, J.S. Tsai. Coherent quantum phase slip. Nature, 484 стр. 355, 2012.

[30] G. A. Morton. Photomultipliers for scintillation counting. RCA Rev., 10 стр. 525-553, 1949.

[31] http://jp.hamamatsu.com/.

[32] http://www.burle.com/index.html.

[33] http://jp.hainamatsu.com/resources/products/etd/pdf/m-h7422e.pdf.

[34] A. Fukasawa, J. Haba, A. Kageyama, H. Nakazawa, M. Suyama. High speed HPD for photon counting. IEEE Trans. Nucl. Sci, 55 стр. 758-762, 2008.

[35] H. Kume, К. Koyama, К. Nakatsugawa, S Suzuki, D. Fatlowitz. Ultrafast microchannel plate photomultipliers. Appl. Opt., 27 стр. 1170-1178, 1988.

[36] H.-A. Bachor Т. C. Ralph. A Guide to Experiments in Quantum Optics, ■ 2nd edn, Ch. 7. Wiley-VCH, 2004.

[37] Henri Dautet, Pierre Deschamps, Bruno Dion, Andrew D. MacGregor, Darleene MacSween, Robert J. Mclntyre, Claude Trottier, Paul P. Webb. Photon counting techniques with silicon avalanche photodiodes. Appl. Opt., 32 стр. 3894 -3900, 1993.

[38] http://optoelectronics.perkinelmer.com/content/RelatedLinks/ SpecificationSheets/SPC_PhotoDetectors.pdf.

[39] R. G. W. Brown, R. Jones, J. G. Rarity, K. D. Ridley. Characterization of silicon avalanche photodiodes for photon correlation measurements 2: Active quenching. Appl. Opt., 26 стр. 2383-2389, 1987.

[40j http://www.microphotondevices.com/products_pdm.asp.

[41] A. Lacaita, F. Zappa, S. Cova, P. Lovati. Single-photon detection beyond 1 performance of commercially available InGaAs/InP detectors. Appl. Opt., 35 стр. 2986-2996, 1996.

[42] G. Ribordy, J.-D. Gautier, H. Zbinden, N. Gisin. Performance of InGaAs/InP avalanche photodiodes as gated-mode photon counters. Appl. Opt., 37 стр. 2272-2277, 1998.

[43] J. G. Rarity, Т. E. Wall, K. D. Ridley, P. С. M. Owens, P. R. Tapster. Single-photon counting for the 1300-1600-nm range by use of Peltiercooled

- and passively quenched InGaAs avalanche photodiodes. Appl. Opt., 39 стр. 6746-6753, 2000.

[44] D. S. Bethune W. P. Risk. An autocompensating fiber-optic quantum cryptography system based on polarization splitting of light. IEEE J. Quant. Elect., 36 стр. 340-347, 2000.

[45] S. Cova, M. Ghioni, A. Lotito, I. Rech, F. Zappa. Evolution and prospects for single-photon avalanche diodes and quenching circuits. J. Mod. Opt., 51 стр. 1267-1288, 2004.

[46] S. Pellegrini, Ryan E. Warburton, L.J.J. Tan, Jo Shien Ng, Andrey B. Krysa, K. Groom, J.P.R. David, S. Cova, M.J. Robertson, Gerald S. Buller. Design and performance of an ingaas-inp single-photon avalanche diode detector. IEEE J. Quant. Elect, 42 стр. 397-403, 2006.

[47] M. A. Albota F. N. C. Wong. Efficient single-photon counting at 1.55 (i by means of frequency upconversion. Opt. Lett., 29 стр. 1449-1451, 2004.

[48] H. Takesue, E. Diamanti, T. Honjo, C. Langrock, Fejer M. M, К Inoue, Y. Yamamoto. Differential phase shift quantum key distribution experiment over 105 km fibre. New J. Phys., 7 стр. 232-243, 2005.

[49] R. T. Thew, S. Tanzilli, L. Krainer, S. С Zeller, A. Rochas, I. Rech, S. Cova, H. Zbinden, N. Gisin. Low jitter up-conversion detectors for telecom

' wavelength GHz QKD. New J. Phys., 8 стр. 32-43, 2006.

[50] E. Waks, K. Inoue, E. Diamanti, Y. Yamamoto. High-efficiency photon-number detection for quantum information processing. IEEE J. Sel. Top. Quant., 9 стр. 1502-1511, 2003.

[51] J. Kim, S. Takeuchi, Y. Yamamoto, H. H. Ilogue. Multiphoton detection using visible light photon counter. Appl. Phys. Lett., 74 стр. 902-904, 1999.

[52] A. J. Shields, M. P. O'Sullivan, I. Farrer, D. A. Ritchie, R. A. Hogg, M. L. Leadbeater, С. E. Norman, M. Pepper. Detection of single photons using a field-effect transistor gated by a layer of quantum dots. Appl. Phys. Lett., 76 стр. 3673-3675, 2000.

[53] В. E. Kardynal, S. S. Hees, A. J. Shields, C. Nicoll, I. Farrer, D. A. Ritchie. Photon number resolving detector based on a quantum dot field effect transistor. Appl. Phys. Lett., 90 стр. 181114, 2007.

[54] E. J. Gansen, M. A. Rowe, M. B. Greene, D. Rosenberg, Т. E. Ilarvey, M. Y. Su, R. H. Hadfield, S. W. Nam, R. P. Mirin. Photon-number-discriminating detection using a quantum dot, optically gated, field-effect transistor. Nature Photon., 1 стр. 585 -588, 2007.

[55] Hideo Kosaka, Deepak S. Rao, Hans D. Robinson, Prabhakar Bandaru, Toshitsugu Sakamoto, Eli Yablonovitch. Photoconduction quantization in a single-photon detector. Phys. Rev. В, 65 стр. 201307, 2002.

[56] В. E. Kardynal, A. J. Shields, N. S. Beattie, I. Farrer, K. Cooper, D. A. Ritchie. Low-noise photon counting with a radio-frequency quantum-dot field-effect transistor. Appl. Phys. Lett., 84 стр. 419-421, 2004.

[57] M. A. Rowe, E. J. Gansen, M. Greene, R. H. Hadfiel, Т. E. Harvey, M. Y. Su, S. W. Nam, R. P. Mirin, D. Rosenberg. Single-photon detection using a quantum dot optically gated field-effect transistor with high internal quantum efficiency. Appl. Phys. Lett., 89 стр. 253505, 2006.

[58] J. C. Blakesley, P. See, A. J. Shields, В. E. Kardynal, P. Atkinson, I. Farrer, D. A. Ritchie. Efficient single photon detection by quantum dot resonant tunneling diodes. Phys. Rev. Lett., 94 стр. 067401, 2005.

[59] H. W. Li, В. E. Kardynal, P. See, A. J. Shields, P. Simmonds, H. E. Beere, D. A. Ritchie. Quantum dot resonant tunneling diode for telecommunication wavelength single photon detection. Appl. Phys. Lett., 91 стр. 073516, 2007.

[60] В. Cabrera, R. M. Clarke, P. Colling, A. J. Miller, S. Nam, R. W. Romani. Detection of single infrared, optical and ultraviolet photons using superconducting transition edge sensors. Appl. Phys. Lett., 73 стр. 735-737, 1998.

[61] A. J. Miller, S. W. Nam, J. M. Martinis, A. V. Sergienko. Demonstration of a low-noise near infrared photon counter with multiphoton discrimination. Appl. Phys. Lett., 83 стр. 791-793, 2003.

[62] D. Rosenberg, A. E. Lita, A. J. Miller, S. W. Nam. Noise-free high-efficiency photon-number resolving detectors. Phys. Rev. A, 71 стр. 061803, 2005.

[63] A. E. Lita, A. J. Miller, S. W. Nam. Counting near-infrared single-photons with 95% efficiency. Opt. Express, 16 стр. 3032-3040, 2008.

[64] Peacock A., Verhoeve P., Rando N., van Dordrecht А. В., Taylor G., Erd C., Perryman M. A. C., Ven R., Howlett J., Goldic D. J., Lumley J., Wallis M. Single optical photon detection with a superconducting tunnel junction for potential astronomical use. Nature, 381 стр. 135-137, 1996.

[65] P. Verhoeve, N. Rando, A. Peacock, A. van Dordrecht, A. Poelaert, D. J. Goldie. Superconducting tunnel junctions as photon counting detectors in the infrared to the ultraviolet. IEEE Trans, on Appl. Supercoductivity, 7 стр. 3359-3362, 1997.

[66] J. H. J. de Brujine, A. P. Reynolds, M. A. C. Perryman, F. Favata, A. Peacock. Analysis of astronomical data from optical superconducting tunnel junctions. Opt. Eng., 41 стр. 1158, 2002.

[67] N. Rando, R Vcrhoeve, A. Poelaert, A. Peacock, D. J. Goldie. NbN-Nb-Al superconducting tunnel junctions as photon counting detectors. J. Appl. Phys., 83 стр. 5536, 1998.

[68] L. Li, L. Frunzio, C. Wilson, D. E. Prober, A. E. Szymkowiak, S. H. Moseley. Improved energy resolution of x-ray single photon imaging spectrometers using superconducting tunnel junctions. J. Appl. Phys., 90 стр. 3645, 2001.

[69] О. Окунев. Эффект однофотоииого детектирования оптического и ИК излучений в топких сверхпроводящих NbN плёнках диссертация на соискание степени кандидата физико-математических наук, Московский педагогический государственный университет, 2004.

[70] G. Goltsman, О. Minaeva, A. Korneev, М. Tarkhov, I. Rubtsova, A. Divochiy, I. Milostnaya, G. Chulkova, N. Kaurova, B. Voronov, D. Pan,

A. Cross, A. Pearlman, I. Komissarov, W. Slysz, R. Sobolewski. Middle-infrared to visible-light ultrafast superconducting single-photon detector. IEEE Transactions on Applied Superconductivity; 17(1) стр. 246-251, 2007.

[71] A. Verevkin, A. Pearlman, W. Slysz, J. Zhang, M. Currie, A. Korneev, G. Chulkova, O. Okunev, P. Kouminov, K. Smirnov, B. Voronov, G. Gol'tsman, R. Sobolewski. Ultrafast superconducting single-photon detectors for near-infrared-wavelength quantum communications. Journal of Modern Optics, 51(9-10) стр. 1447 1458, 2004.

[72] A. Korneev, P. Kouminov, V. Matvienko, G. Chulkova, K. Smirnov,

B. Voronov, G. Gol'tsman, M. Currie, W. Lo, K. Wilsher, J. Zhang, W. Slysz, A. Pearlman, A. Verevkin, R. Sobolewski. Sensitivity and gigahertz counting performance of NbN superconducting single-photon detectors. Applied Physics Letters, 84(26) стр. 5338 5340, June 2004.

[73] A. Korneev, Y. Vachtomin, О. Minaeva, A. Divochiy, K. Smirnov, O. Okunev, G. Goltsman, C. Zinoni, N. Chauvin, L. Balet, F. Marsili, D. Bitauld, B. Alloing, Li Lianhe, A. Fiore, A. Gerardino L. Lunghi, M. Haider, C. Jorel, H. Zbinden. Single-photon detection system for quantum optics applications. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 13(4) стр. 944-951, 2007.

[74] G. N. Gol'tsman, 0. Okunev, G. Chulkova, A. Lipatov, A. Semenov, K. Smirnov, B. Voronov, A. Dzardanov, C. Williams, R. Sobolewski. Fabrication and properties of an ultrafast NbN hot-electron single photon detector. IEEE Trans. Appl. Supercon., И стр. 574-577, 2001.

[75] A. Semenov, A. Engel, H.-W. Htibers, K. Il'in, M. Siegel. Spectral cut-off in the efficiency of the resistive state formation caused by absorption of a single-photon in current-carrying superconducting nano-strips. Eur. Phys.

' J. B, 47 стр. 495-501, 2005.

[76] J. Bardeen. Critical fields and currents in superconductors. Rev.Mod.Phys, 34 стр. 667, 1962.

[77] M. Ю. Куприянов В. Ф. Лукичев. Температурная зависимость критического тока расспаривания в сверхпроводниках. ФИТ, 6(4) стр. 445-453, 1980.

[78] J. Clem К. Berggren. Geometry-dependent critical currents in superconducting nanocircuits. Phys. Rev. D, 84 стр. 174510, 2011.

[79] H. L. Hortensius, E. F. C. Driesseri, Т. M. Klapwijk, К. K. Berggren, • J. R. Clem. Critical-current reduction in thin superconducting wires due to

current crowding. Appl. Phys. Lett., 100 стр. 182602, 2012.

[80] J. R. Clem, Y. Mawatari, G. R. Berdiyorov, F. M. Peeters. Predicted field-dependent increase of critical currents in asymmetric superconducting nanocircuits. Phys. Rev. В, 85 стр. 144511, 2012.

[81] Alexei D. Semenov, Philipp Haas, Heinz-Wilhelm Hübers, Konstantin Ilin, Michael Siegel, Alexander Kirste, Thomas Schurig, Andreas Engel. Vortex-based single-photon response in nanostructured superconducting detectors.

. Physica С, 468 стр. 627-630, 2008.

[82] Zotova А. N. Vodolazov D. Y. Photon detection by current-carrying superconducting film: A time-dependent Ginzburg-Landau approach. Phys. Rev. B, 85 стр. 024509, 2012.

[83] L. N. Bulaevskii, M. J. Graf, C. D. Batista, V. G. Kogan. Vortex-induced dissipation in narrow current-biased thin-film superconducting strips. Phys. Rev. B, 83 стр. 144526, Apr 2011.

[84] H. Bartolf, A. Engel, A. Schilling, K. Ilin, M. Siegel, II. W. Hübers, A. Semenov. Current-assisted thermally activated flux liberation in ultrathin nanopatterned nbn superconducting meander structures. Phys.

' Rev. B, 81 стр. 024502, 2010.

[85] Bulaevskii L. N., Graf M. J., Kogan V. G. Vortex-assisted photon counts and their magnetic field dependence in single-photon superconducting detectors. Phys. Rev. B, 85 стр. 014505, 2012.

[86] M. Hofherr, D. Rail, К. Ilin, M. Siegel, A. Semenov, H.-W. Hübers, N. A. Gippius. Intrinsic detection efficiency of superconducting nanowire singlephoton detectors with different thicknesses. J. Appl. Phys., 108 стр. 014507, 2010.

[87] G. Maksimova. Mixed state and critical current in narrow semiconducting films. Phys. Solid State, 40 стр. 1607, 1998.

[88] В. L. Т. Plourde, D. J. Van Harlingen, D. Y. Vodolazov, R. Besseling, M. B. S. Hesselberth, P. H. Kes. Influence of edge barriers on vortex dynamics in thin weak-pinning superconducting strips. Phys. Rev. B, 64 стр. 014503, 2001.

[89] С. Bean J. Livingston. Surface barrier in type-ii superconductors. Phys. Rev. Lett., 12 стр. 14, 1964.

[90] G. Stan, S. B. Field, J. M. Martinis. Critical field for complete vortex expulsion from narrow superconducting strips. Phys. Rev. Lett., 92 стр. 097003, 2004.

[91] Т. Yamashita, S. Miki, K. Makise, H. Terai W. Qiu, M. Fujiwara, M. Sasaki, Z. Wang. Origin of intrinsic dark count in superconducting nanowire singlephoton detectors. Appl. Phys. Lett, 99 стр. 161105, 2011.

[92] G. R. Berdiyorov, M. V. Milosevic, F. M. Peeters. Kinematic vortex-antivortex lines in strongly driven superconducting stripes. Phys. Rev. B, 79 стр. 184506, 2009.

[93] A. Engel, A. Schilling, K. Ilin, M. Siegel. Dependence of count rate on magnetic field in superconducting thin-film tan single-photon detectors. Phys. Rev. В, 86 стр. 140506, 2012.

[94] A. Kermari, E. Dauler, W. Keicher, J. Yang, K. Berggren, G. Gol'tsman, B. Voronov. Kinetic-inductance-limited reset time of superconducting nanowire photon counters. Applied Physisc Letters, 88 стр. 111116, 2006.

[95] M. Ejrnaes, R. Cristiano, О. Quaranta, S. Pagano, A. Gaggero, F. Mattioli, R. Leoni, B. Voronov, G. Goltsman. A cascade switching superconducting single photon detector. Appl. Phys. Lett., 91 стр. 262509-262511, 2007.

[96] Ejrnaes M, Casaburi A, Cristiano R, Quaranta O, Marchetti S, Pagano S. , Maximum count rate of large area superconducting single photon detectors.

Journal of Modern Optics, 56 стр. 390-394, 2009.

[97] Ejrnaes M, Casaburi A, Quaranta O., Marchetti S, Gaggero A, Mattioli F, Leoni R, Pagano S, Cristiano R. Characterization of parallelsuperconducting nanowire single photon detectors. Applied Superconductivity, IEEE Transactions on, 19(3) стр. 336-340, 2009.

[98] Francesco Marsili, Faraz Najaf, Eric Dauler, Francesco Bellei, Xiaolong Hu, Maria Csete, Richard J. Molnar, Karl K. Berggren. Single-photon detectors based on ultranarrow superconducting nanowires. Nano Lett., 11(5) стр. 2048-2053, 2011.

[99] D. Rosenberg, S. W. Nam, A. Miller, A. Salminen, E. Grossman, R. Schwall, J. Martinis. Near-unity absorption of near-infrared light in tungsten films. Nucl. Instr. and Meth. in Physics Research A, 520 стр. 537, 2004.

[100] I. Milostnaya, A. Korneev, I. Rubtsova, V. Seleznev, O. Minaeva, G. Chulkova, O. Okunev, B. Voronov, K. Smirnov, G. Gol'tsman, W. Slysz, M. Wegrzecki, M. Guziewicz, J. Bar, M. Gorska, A. Pearlman, J. Kitaygorsky, A. Cross, R. Sobolewski. Superconducting single-photon detectors designed for operation at 1.55-/Ш1 telecommunication wavelength. Journal of Physics: Conference Series, 43 стр. 1334-1337, 2006.

[101] К. Rosfjord, J. Yang, E. Dauler, A. Kerman, V. Anant, B. Voronov, „ G. Goltsman, K. Berggren. Nanowire single-photon detector with an

integrated optical cavity and anti-reflection coating. Optics Express, 14(2) стр. 527-534, 2006.

[102] M. G. Tanner, С. M. Natarajan, V. K. Pottapenjara, J. A. O'Connor, R. J. Warburton, R. H. Hadfield, B. Back, S. Nam, S. N. Dorcnbos, E. Bermiidez Urena, T. Zijlstra, Т. M. Klapwijk, V. Zwiller. Enhanced telecom wavelength single-photon detection with nbtin superconducting nanowires on oxidized silicon. Appl. Phys. Lett., 96 стр. 221109, 2010.

[103] N. N. Iosad, B. D. Jackson, S. N. Polyakov, P. N. Dmitriev, Т. M. Klapwijk. Reactive magnetron sputter-deposition of NbN and NbTiN films related to sputtering source characterization and optimization. J. Vac. Sci. Technol. A, 19 стр. 1840, 2001.

[104] E. Knill, R. Laflamme, G. J. Milburn. A scheme for efficient quantum computation with linear optics. Nature, 409 стр. 46, 2001.

[105] M. A. Nielsen. Optical quantum computation using cluster states. Phys. Rev. Lett, 93 стр. 040503, 2004.

[106] N. Sangouard, C. Simon, J. Minar, H. Zbinden, H. de Riedmatten, N. Gisin. Long-distance entanglement distribution with single-photon sources. Phys. Rev. A, 76 стр. 050301, 2007.

[107] A. Gaggero, S. Jahanmiri Nejad, F. Marsili, F. Mattioli, R. Leoni, D. Bitauld, D. Sahin, G. J. Hamhuis, R. Notzel, R. Sanjines, A. Fiore. Nanowire superconducting single-photon detectors on gaas for integrated quantum photonic applications. Appl. Phys. Lett., 97(15) стр. 151108-1/3, 2010.

[108] Xiaolong Hu, Holzwarth С. W., Masciarelli D., Dauler E. An, Berggren K. K. Efficiently coupling light to superconducting nanowire single-photon

t detectors. Supercond. Sci. Technol, 22 стр. 055006-394, 2009.

[109] Xiaolong Ни, Eric A. Dauler, Richard J. Molnar, Karl K. Berggren. Superconducting nanowire single-photon detectors integrated with optical nano-antermae. OPTICS EXPRESS, 19(1) стр. 17, 2011.

[110] microchem.com/pdf/PMMA_Data_Sheet.pdf.

[111] T. Nishida, M. Notomi, R. Iga, T. Tamamura. Quantum wire fabrication by ebeam lithographyusing high-resolution and high-sensitivity e-beam resist zep520. Jpn. J. Appl. Phys., 31(128) стр. 4508-4514, 1992.

[112] К. Iizuka, К. Matsumaru, Т. Suzuki, H. Hirose, K. Suzuki, H. Okamato. Arsenic-free gaas substrate preparation and direct growth of gaas/algaas multiple quantum well without buffer layer. J. Cryst. Growth, 150 стр. 13-17, 1995.

[113] Lichtenberger A. W., Lea D. M., Lloyd F. L. Investigation of etching techniques for superconductive nb/al-a^Og/nb fabrication processes. IEEE Trans. Appl. Supercond, 3 стр. 2191-2196, 1993.

[114] Williams K. R Muller R. S. Etch rates for micromachining processing. J.ournal of Microelectromechanical Systems, 5(4) стр. 256, 1996.

[115] Liwei Wang. Investigation of the mechanical behavior of freestanding polycristallyne gold films deposited by evaporation and sputtering methods диссертация на соискание степени кандидата физико-математических наук, 2007.

[116] refractiveindex.info.

[117] D. Henrich, S. Dörner, M. Hofherr, К. Il'in, A. Semenov, Е. Heintze, M. Scheffler, M. Dresseland, M. Siegel. Broadening of hot-spot response spectrum of superconducting nbn nanowire single-photon detector with reduced nitrogen content. J. Appl. Phys., 112 стр. 074511, 2012.

[118] U. Pracht, E. Heintze, С. Clauss, D. Hafner, R. Век, D. Werner, S. Gelhorn, M. Scheffler, M. Dressel, D. Sherman, B. Gorshunov, K. Il'in, D. Henrich,

- M. Siegel. Electrodynamics of the superconducting state in ultra-thin films at thz frequencies. IEEE Trans. Terahertz Sei. Technol., 3 стр. 269, 2013.

[119] D. Henrich, P. Reichensperger, M. Hofherr, J. M. Meckbach, К. Il'in, M. Siegel, A. Semenov, A. Zotova, D. Yu. Vodolazov. Geometry-induced reduction of the critical current in superconducting nanowires. Phys. Rev. B, 86 стр.144504, 2012.

[120] A. Engel A. Schilling. Numerical analysis of detection-mechanism models of superconducting nanowire single-photon detector. J. Appl. Phys., 114 стр. 214501, 2013.

[121] A. Engel, A. Aeschbacher, K. Inderbitzin, A. Schilling, K. Il'in, M. Hofherr, M. Siegel, A. Semenov, H.-W. Hübers. Tantalum nitride superconducting single-photon detectors with low cut-off energy. Appl. Phys. Lett., 100 стр. 062601, 2012.

[122] J. J. Renema, R. Gaudio, Q. Wang, Z. Zhou, A. Gaggero, F. Mattioli, R. Leoni, D. Sahin, M. J. A. de Dood, A. Fiore, M. P. van Exter. Experimental test of theories of the detection mechanism in a nanowire superconducting single photon detector. Phys. Rev. Lett., 112 стр. 117604, 2014.

[123j К. H'in, М. Lindgren, М. Currie, A. Semenov, G. Gol'tsman, R. Sobolewski, S. Cherednichenko, E. Gershenzon. Picosecond hot-electron energy relaxation in nbn superconducting photodetectors. Appl. Phys. Lett., 76(19) стр. 2752, 2000.

[124] G. Goltsman, A. Korneev, A. Divochiy, 0. Minaeva, M. Tarkhov, N. Kaurova, V. Seleznev, B. Voronov, O. Okunev, A. Antipov, K. Smirnov, Yu. Vachtomin, I. Milostnaya, G. Chulkova. Ultrafast superconducting single-photon detector. Journal of Modern Optics, 56 стр. 1670-1680, 2009.

[125] Pochi Yeh, Amnon Yariv, Chi-Shain Hong. Electromagnetic propagation in periodic stratified media, i. general theory. J. Opt. Soc. Am., 67(4) стр. 493-438, 1977.

[126] M. Борн Э. Вольф. Основы оптики. М.: Наука, 1973.

[127] А. Semenov, В. Günther, U. Böttger, H.-W. Hübers, H. Bartolf, A. Engel, A. Schilling, К. Ilin, M. Siegel, R. Schneider, D. Gcrthsen, N. A. Gippius. Optical and transport properties of ultrathin nbn films and nanostructures. Phys. Rev. B, 80 стр. 054510, Aug 2009.