Многоэлементные сверхпроводниковые однофотонные детекторы ИК диапазона тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат наук Мошкова Мария Александровна

• Мошкова Мария Александровна
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Мошкова Мария Александровна

Введение

ГЛАВА 1. Основные виды однофотонных детекторов и их сравнение со сверхпроводниковыми однофотонными детекторами

1.1. Однофотонные детекторы

1.1.1. Фотоэлектронные умножители

1.1.2. Однофотонные лавинные диоды

1.1.3. Однофотонные детекторы на основе

1.2. Сверхпроводниковые однофотонные детекторы

1.2.1. Основные характеристики

1.2.2. Системная квантовая

1.2.3. Темновые отсчеты

1.2.4. Мертвое время

1.2.5. Спектральный диапазон

1.2.6. Временное разрешение

1.3. Области применения однофотонных

1.4. Многоэлементные однофотонные

1.4.1. PNR SSPD c последовательно расположенными секциями

1.4.2. PNR SSPD с параллельно соединенными

1.5. Сверхпроводниковые однофотонные детекторы с увеличенной входной

ГЛАВА 2. Технология создания сверхпроводниковых однофотонных детекторов с разрешением числа фотонов и с увеличенной входной апертурой

2.1. Осаждение пленок нитрида

2.2. Технология изготовления PNR SSPD с различным числом секций и увеличенной входной

2.3. Использование антиотражающего покрытия при создании

2.4. Разработка топологии детекторов с разрешением числа

ГЛАВА 3. Основные методы исследования

3.1. Методика измерения квантовой эффективности и скорости темновых отсчетов сверхпроводниковых однофотонных детекторов

3.2. Определение мертвого времени сверхпроводниковых однофотонных детекторов

3.3. Измерение временного разрешения сверхпроводниковых однофотонных детекторов

ГЛАВА 4. Сверхпроводниковые однофотонные детекторы с разрешением числа фотонов в импульсе излучения

4.1. Измерения PNR SSPD, выполненные без излучения

4.1.1. Вольтамперные характеристики и дополнительное сопротивление

4.1.2. Темновые отсчеты

4.2. Измерения, выполненные с непрерывным источником излучения

4.2.1. Системная квантовая эффективность

4.2.2. Мертвое время

4.3. Измерения, выполненные с импульсным источником излучения

4.3.1. Временное разрешение

4.3.2. Системная квантовая эффективность

4.4. Изучение вероятности каскадного переключения

ГЛАВА 5. Сверхпроводниковые однофотонные детекторы с увеличенной

входной апертурой

5.1. Системная квантовая эффективность и скорость темновых отсчетов приемника одиночных фотонов на основе сверхпроводниковых детекторов с увеличенной входной апертурой

5.2. Мертвое время и временное разрешение сверхпроводниковых однофотонных детекторов с увеличенной входной апертурой

Заключение

Список используемой литературы

126

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Многоэлементные сверхпроводниковые однофотонные детекторы ИК диапазона»

Введение

Стремительное развитие квантовых технологий, происходящее в последнее время, значительно повышает интерес к сверхчувствительным детекторам, способным эффективно регистрировать одиночные фотоны. Сверхпроводниковые однофотонные детекторы SSPD (от англ. Superconducting Single-Photon Detector), впервые представленные в 2001 году [1], к настоящему моменту по своим характеристикам значительно превосходят ближайшие аналоги - лавинные фотодиоды (APD) и фотоэлектронные умножители (PMT) [2,3], и все стремительнее и увереннее завоевывают новые ниши применения [4-6].

Возможность определения числа фотонов, содержащихся в одном оптическом импульсе излучения, позволяет значительно расширить направления применения однофотонных детекторов, в том числе, SSPD. Такая возможность для сверхпроводниковых детекторов реализуется за счет создания мультиэлементных устройств. PNR SSPD (от англ. Photon number resolving SSPD - сверхпроводниковый детектор, различающий число фотонов) впервые был продемонстрирован в [7] и имел 6 независимых секций, число которых соответствует максимальному количеству одновременно регистрируемых фотонов. Однако, детектор имел очень низкую квантовую эффективность, не позволяющую использовать его в каких-либо практических приложениях.

Дальнейшие исследования позволили создать детектор с увеличенным до 12 количеством секций, но при этом максимальная эффективность составляла всего 0,17%, что делает использование таких детекторов совершенно не результативным [8]. В последующих работах, удалось увеличить квантовую эффективность до 68 % на длине волны 1550 нм (для детекторов, имеющих лишь несколько независимых секций) [9]. Лучшее значение темновых отсчетов PNR SSPD составило порядка 200 с-1.

В одной из последних работ, выполненной группой авторов (F. Mattioli, Z. Zhou, A. Gaggero и др.) был представлен PNR SSPD с разрешением до 4 фотонов в импульсе с эффективностью обнаружения 22,7 ± 3,0% на длине волны 900 нм [10].

Следует отметить, что для PNR детекторов наиболее важным параметром является квантовая эффективность, так как эффективность 2, 3...n срабатываний рассчитывается как эффективность однофотонного срабатывания, возведенная в степень, равную количеству таких срабатываний (2, 3...n). Поэтому создание PNR-детектора, отвечающего требованиям приложений, является сложной задачей. Лучшее приведенное выше значение в 68 % является явно недостаточным. Кроме того, для PNR SSPD с изменением стандартной для SSPD топологии, меняются и другие параметры - быстродействие, джиттер и уровень темновых отсчетов, динамический диапазон. Крайне важным является одновременная (совместная) реализация в одном PNR SSPD тех преимуществ SSPD, которые они демонстрируют в стандартной топологии по отношению к другим типам однофотонных детекторов. В настоящее время, научно-исследовательским группам, вовлеченным в исследование и создание PNR SSPD, не удается создать такой детектор.

Таким образом, получение высокоэффективного мультиэлементного детектора с приближающейся к 100% эффективностью детектирования фотонов позволило бы реализовать в нем все преимущества SSPD, сочетающиеся с возможностью различения количества фотонов в оптическом импульсе.

Помимо этого, основным сдерживающим фактором для дальнейшего развития сверхпроводниковых однофотонных детекторов является их малая входная апертура - как правило, приемники на основе SSPD в настоящее время используют стандартное одномодовое волокно с диаметром светопроводящего канала ~9 мкм, как оптический ввод излучения. Однако, создание одноэлементного SSPD с увеличенной входной апертурой имеет множество

принципиальных проблем. Так, при увеличении длины сверхпроводниковой полоски, пропорционально увеличивается кинетическая индуктивность детекторов (Ък) [11], что определяет рост времени восстановления сверхпроводимости (мертвого времени) и, следовательно, резко ограничивает максимальную скорость счета таких детекторов, как описано в работах [12,13]. Также значительное увеличение Ьк детектора неизбежно приводит к ухудшению его джиттера [14]. Несколько научно-исследовательских групп разработали ББРО с большой активной областью и с относительно высокой системной квантовой эффективностью, но все они продемонстрировали очень большое значение мертвого времени и, следовательно, низкую скорость счета [15,16]. Таким образом, на сегодняшний день попытки масштабирования SSPD детекторов малой площади без ухудшения их характеристик, прежде всего, квантовой эффективности, не были реализованы.

Детекторы с разрешением числа фотонов и детекторы с увеличенной входной апертурой имеют значимые преимущества во многих приложениях. Например, в квантовой криптографии использование детекторов с разрешением числа фотонов позволяет реализовать системы с увеличенной скоростью выработки квантового ключа и обеспечить дополнительную защиту от атак с разделением импульсов излучения [4]. РКЯ ББРО являются перспективным элементом для Линейно-Оптических Квантовых вычислений (LOQC) [5] и эффективным инструментом при исследовании статистики излучения фотонных источников [17]. Детекторы с увеличенной входной апертурой способны значительно расширить использование однофотонных приемников излучения в таких областях, как быстрая связь в воздушном и космическом пространстве [6], в КГОАЯ технологиях [18], биомедицине [19] и пр.

Исследование одноэлементных сверхпроводниковых однофотонных детекторов и создание приемных систем на их основе с одномодовым вводом излучения к настоящему времени привело к созданию приемников с

приближающейся к 100 % квантовой эффективностью [2], предельно низким, ограниченным фоновым излучением уровнем темнового счета [20], значительно превосходящими полупроводниковые аналоги временными параметрами [21,22]. Эти SSPD приемники уже нашли применение во многих практических приложениях. В качестве следующего перспективного шага в развитии техники однофотонного счета, основанной на сверхпроводниковых детекторах фотонов, является, на наш взгляд, исследование возможности разработки и создания детекторов с увеличенной входной апертурой и детекторов, способных к разрешению количества фотонов в коротком импульсе излучения. Представленный анализ расширения возможных направлений использования таких детекторов подтверждает это заключение. Исследование, разработка и создание многоэлементных SSPD является ключевым направлением, ведущим к реализации новых указанных свойств сверхпроводниковых однофотонных детекторов.

Поэтому предметом работы являлись многоэлементные сверхпроводниковые однофотонные детекторы, функционирующие в режиме счета фотонов в импульсе излучения ближнего инфракрасного диапазона, и в топологии однофотонного приемника с увеличенной входной апертурой.

Целью диссертационной работы является разработка и постановка технологии создания высокоэффективных многоэлементных

сверхпроводниковых детекторов, способных к разрешению числа фотонов в коротком импульсе излучения ближнего инфракрасного диапазона и в топологии однофотонного приемника с увеличенной входной апертурой, реализация технологии, исследование основных характеристик многоэлементных SSPD и демонстрация возможности их использования.

Задачами исследования являлись:

- Разработка топологий многоэлементных детекторов, способных к разрешению числа фотонов в импульсе излучения ближнего ИК диапазона;

- Разработка топологий многоэлементных SSPD для создания детекторов с увеличенной входной апертурой;

- Разработка, постановка и реализация технологии создания многоэлементных детекторов, способных к разрешению числа фотонов в импульсе излучения ближнего ИК диапазона;

- Разработка, постановка и реализация технологии создания многоэлементных SSPD детекторов с увеличенной входной апертурой;

- Проведение исследований характеристик созданных многоэлементных детекторов на постоянном токе: измерение температуры сверхпроводящего перехода структур, критического тока нарушения сверхпроводимости, поверхностного сопротивления исходных сверхпроводниковых NbN пленок и нахождение корреляций указанных характеристик с параметрами технологического процесса создания структур с целью оптимизации технологии;

- Проведение экспериментальных исследований взаимодействия одиночных фотонов ближнего ИК диапазона с многоэлементными детекторами способными к разрешению числа фотонов в коротком импульсе излучения ближнего инфракрасного диапазона и в топологии однофотонного приемника с увеличенной входной апертурой:

• измерение временной стабильности возникновения сигнала напряжения при поглощении детектором одиночного фотона (джиттер),

• исследование максимальной скорости счета,

• изучение скорости темновых отсчетов,

• измерение квантовой эффективности,

• исследование вероятности каскадного переключения секций (cascade switching)

- Анализ полученных результатов:

• сравнение измеренных характеристик многоэлементных детекторов с характеристиками одноэлементных SSPD;

• выявление особенностей и определение оптимальных режимов функционирования многоэлементных сверхпроводниковых однофотонных детекторов;

• выявление влияния параметров технологического процесса и особенностей топологии сверхпроводниковых однофотонных детекторов на их характеристики, направленное на создание многоэлементных детекторов с параметрами близкими к лучшим значениям для одноэлементных SSPD.

Новизна исследования состоит в проведении принципиально новых исследований и получении следующих новых результатов:

- Впервые созданы сверхпроводниковые NbN однофотонные детекторы с высокой квантовой эффективностью, способные различать количество фотонов в импульсе излучения ближнего инфракрасного диапазона длительностью менее мертвого времени детектора. Лучшие характеристики детектора составили: системная квантовая эффективность на длине волны 1550 нм -±86%; скорость темновых отсчетов - 35 с-1, мертвое время - 30 нс, джиттер -90,7 пс, вероятность каскадного переключения - 0,1 %.

- Детально исследована вероятность каскадного переключения сверхпроводниковых NbN однофотонных детекторов и показано, что значение этой вероятности зависит от тока смещения детектора и мощности входного излучения. Кроме того, показано, что можно подобрать ток смещения детектора, который соответствует высокому уровню эффективности обнаружения и низкому уровню вероятности каскадного переключения одновременно. Для созданного для этой цели устройства были достигнуты следующие характеристики: эффективность обнаружения системы 60% и вероятность каскадного переключения 0,3-3% для диапазона излучения входной мощности 0,128-1,28 пВт.

- Предложен принципиально новый подход к созданию сверхпроводниковых однофотонных детекторов с увеличенной входной апертурой, основанный на использовании топологии мультиэлементных детекторов. Использованный подход позволяет уменьшить кинетическую индуктивность детекторов (Ък) и, следовательно, решить проблему ограниченной максимальной скорости счета и ухудшения джиттера, что неизбежно возникает при создании одноэлементных детекторов больших площадей из-за увеличения длины сверхпроводящей полоски.

- Созданы сверхпроводниковые однофотонные детекторы с увеличенной входной апертурой, сопряженные со стандартным многомодовым волокном (диаметром светопроводящей сердцевины 50 мкм) и обладающие следующими характеристиками: системная квантовая эффективность на длине волны 1550 нм —47%; скорость темновых отсчетов - 100 с-1, мертвое время - 2 нс, джиттер -130 пс, вероятность каскадного переключения - 2 %.

Для достижения поставленных целей и задач в диссертационном исследовании был использован комплекс современных методов создания и исследования сверхпроводниковых тонкопленочных наноструктур и детекторов ИК излучения:

- Метод прецизионного магнетронного осаждения ультратонких (до 3.5 нм) пленок МЬМ основанный на реактивном распылении МЬ мишени в атмосфере газов Аг и N2 при нагреве подложек до температур 800°С и контроле степени разупорядоченности получаемых пленок;

- Методы современной тонкопленочной нанотехнологии, включающие фото- и электронную литографии, электронно-лучевое и термическое испарения материалов, плазмохимическое и химическое травления. Использованные технологические подходы позволили изготовить структуры с характерными планарными размерами в десятки нанометров;

- Современные методы достижения низких температур, основанные на использовании жидкого гелия (и откачке его паров) и криогенных машин гелиевого уровня, обеспечивающих температуры исследования вплоть до 1.6 К;

- Методы исследования основных характеристик создаваемых тонкопленочных структур - четырехзондовое измерение поверхностного сопротивления NbN пленок и его зависимость от температуры в диапазоне 1.6300 К, измерение критической температуры и ширины сверхпроводящего перехода, измерение критического тока нарушения сверхпроводимости;

- Методы эффективного оптического согласования сверхпроводниковых наноструктур - однофотонных детекторов - с излучением ближнего инфракрасного диапазона с длинами волн в диапазоне 700-1600 нм (создание антиотражающих и просветляющих покрытий и резонаторов, прецизионное совмещение структур с одномодовыми и многомодовыми оптическими волокнами);

- Методы исследования основных характеристик однофотонных детекторов ближнего инфракрасного диапазона - квантовой эффективности, уровня темновых отсчетов, временного разрешения, мертвого времени;

- Методы, в том числе, разработанные в рамках диссертационного исследования по изучению однофотонных детекторов, способных различать количество фотонов в импульсе излучения ближнего инфракрасного диапазона длительностью менее мертвого времени детектора, и связанные с измерением вероятности каскадного переключения отдельных секций такого детектора, измерением вероятности срабатывания детектора при одновременном поглощении нескольких фотонов.

Теоретическая значимость • Представленные экспериментальные результаты позволяют уточнить и более детально раскрыть механизм функционирования многоэлементного

однофотонного детектора, которые могут быть использованы при дальнейшем развитии данной тематики исследования.

• Показано, что эффект каскадного переключения является значительным при определённых условиях функционирования многоэлементных детекторов и зависит от следующих параметров устройства: тока смещения, топологии, дополнительного сопротивления секции, мощности падающего излучения.

Практическая значимость работы

• Продемонстрирован эффект каскадного переключения, свойственный для сверхпроводниковых однофотонных детекторов разрешающих количество фотонов, а также возможность определения оптимального режима работы с сохранением высокой системной квантовой эффективности такого устройства.

• Экспериментально продемонстрирована способность восстановления статистики фотонного источника при использовании детекторов различающих число фотонов в импульсе излучения.

• Разработанные детекторы используются в лаборатории «National Laboratory for Physical Sciences at Microscale and Department of Modern Physics» и «CAS Centre for Excellence in Quantum Information and Quantum Physics», город Шанхай (Руководитель - профессор Jian-Wei Pan) для разработки и исследования квантовых компьютеров с использованием многоэлементных однофотонных детекторов, а также повышения уровня теоретических знаний в указанной области.

• Разработанные детекторы с разрешением числа фотонов и детекторы с увеличенной входной апертурой могут быть использованы в квантовой криптографии - повышение скорости выработки ключа и защита от атак с разделением фотонов; в Линейно-Оптических Квантовых вычислениях (LOQC); в быстрой связи в воздушном и космическом пространстве, в LIDAR технологиях, биомедицине и пр.

На защиту выносятся следующие научные положения и результаты:

1. Многоэлементный сверхпроводниковый однофотонный детектор, созданный на основе пленки NN способен различать количество фотонов (до 4) в импульсе излучения ближнего инфракрасного диапазона длительностью менее мертвого времени детектора и обладает следующими характеристиками приведенными к входу излучения - стандартному одномодовому волокну: системная квантовая эффективность на длине волны 1550 нм —86%; скорость темновых отсчетов - 35 с-1, мертвое время - 30 нс, джиттер - 90,7 пс, вероятность каскадного переключения - 0,1 %.

2. Для создания высокоэффективного многоэлементного сверхпроводникового однофотонного детектора с волоконным вводом излучения путем создания параллельно соединенных сверхпроводниковых полосок, каждая из которых является отдельной секцией детектора, необходимо реализовать равномерное распределение каждой секции детектора по всей его чувствительной области.

3. Вероятность каскадного переключения сверхпроводниковых NN однофотонных детекторов, способных различать количество фотонов в импульсе излучения ближнего инфракрасного диапазона определяется током смещения детектора и мощностью детектируемого излучения. Вероятность каскадного переключения детектора растет с увеличением мощности детектируемого излучения и при приближении тока смещения детектора к критическому току нарушения сверхпроводимости (1с).

4. Топологию многоэлементных сверхпроводниковых однофотонных детекторов, способных различать количество фотонов в импульсе излучения ближнего инфракрасного диапазона возможно использовать для создания высокоэффективных сверхпроводниковых однофотонных детекторов с увеличенной входной апертурой.

5. Характеристики NN однофотонного детектора с увеличенной входной апертурой, сопряженного со стандартным многомодовым волокном (диаметром светопроводящей сердцевины 50 мкм) составили: системная квантовая эффективность на длине волны 1550 нм —47%; скорость темновых отсчетов - 100 с-1, мертвое время - 2 нс, джиттер - 130 пс, вероятность каскадного переключения - <2 %.

Достоверность и обоснованность результатов

Достоверность научных результатов диссертационной работы обеспечивается использованием современных и признанных методик исследования, применяющихся ведущими мировыми научно-исследовательскими группами; современного технологического и экспериментального оборудования; многократным представлением полученных результатов на ведущих отечественных и международных конференциях, в журналах, входящих в международную систему цитирования. Полученные научные результаты диссертационного исследования базируются на общепринятых представлениях современной микроэлектроники и соответствуют теоретическим и экспериментальным исследованиями других ведущих научно-исследовательских групп.

Личный вклад автора

Научные результаты, изложенные в представленной работе, получены автором лично или при непосредственном его участии. Личный вклад автора заключается в разработке новых топологий и реализации технологии изготовления многоэлементных SSPD, способных к разрешению фотонов и детекторов с увеличенной входной апертурой; проведении измерений и исследований характеристик, созданных многоэлементных SSPD без излучения, на постоянном токе и с использованием различных источников излучения; обработке и проведении анализа полученных экспериментальных данных; подготовке публикаций по результатам исследований.

Апробация результатов

Результаты исследований, изложенные в диссертации, докладывались на следующих конференциях: VII и VIII Международной конференции по фотонике и информационной оптике (Москва, 2018 г., 2019 г.); XXII и XXIV Международном симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 2018 г., 2020 г.); межвузовской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов имени Е.В.Арменского (Москва, 2019 г., 2020 г., 2021 г.); 6-ой международной школе-конференции "Saint-Petersburg OPEN 2019" по Оптоэлектронике, Фотонике, Нано- и Нанобиотехнологиям (Санкт-Петербург, 2019 г.); Международной конференции «SPIE Optics + Optoelectronics Digital Forum» (Прага, 2021 г.).

Публикации

По результатам проведенных исследований опубликовано 14 работ, из которых 7 статей в журналах, входящих в Перечень изданий, рекомендованных ВАК Минобразования:

1. M. A. Moshkova, P. V. Morozov, A. V. Antipov, Yu. B. Vakhtomin, K. V. Smirnov High-efficiency multi-element superconducting single-photon detector // Quantum Optics and Photon Counting 2021, Proc. SPIE 11771, 1177107 doi

2. Sidorova M., Semenov A., Hubers H., Ilin K., Siegel M., Charaev I., Moshkova M., Kaurova N., Goltsman G., Zhang X., Schilling A. Electron energy relaxation in disordered superconducting NbN films // Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics. 2020. Vol. 102 (Q1) doi

3. Smirnov K., Moshkova M., Antipov A., Morozov P., Vakhtomin Y. The Cascade Switching of the Photon Number Resolving Superconducting Single-Photon Detectors // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2020. Vol. 31. No. 2. P. 1-4 doi

4. Moshkova M., Divochiy A., Morozov P., Vakhtomin Y., Antipov A., Zolotov P., Seleznev V., Ahmetov M., Smirnov K. High-performance

superconducting photon-number-resolving detectors with 86% system efficiency at telecom range // Journal of the Optical Society of America B: Optical Physics. 2019. Vol. 36. No. 3. P. B20-B25 doi

5. Moshkova M., Morozov P., Divochiy A., Vakhtomin Y., Smirnov K. Large active area superconducting single photon detector // Journal of Physics: Conference Series. 2019. Vol. 1410. No. 1. P. 012139 doi

6. Zolotov P., Divochiy A., Vakhtomin Y., Moshkova M., Morozov P., Seleznev V., Smirnov K. Photon-number-resolving SSPDs with system detection efficiency over 50% at telecom range //AIP Conference Proceedings. 2018. Vol. 1936. No. 1. P. 020019-1-020019-6 doi

7. Korneeva Y., Florya I., Vdovichev S., Moshkova M., Simonov N., Kaurova N., Korneev A., Goltsman G. Comparison of Hot Spot Formation in NbN and MoN Thin Superconducting Films After Photon Absorption // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2017. Vol. 27. No. 4 doi

ГЛАВА 1. Основные виды однофотонных детекторов и их сравнение со сверхпроводниковыми однофотонными детекторами

В настоящей главе представлен обзор основных видов однофотонных детекторов, их принципы работы и особенности, а также проведен сравнительный анализ параметров. Кроме того, подробно описаны все основные характеристики сверхпроводниковых однофотонных детекторов (SSPD), достигнутые на начало выполнения работы, и рассмотрены возможности и перспективы их практического применения в различных областях.

1.1. Однофотонные детекторы

Интерес к однофотонным детекторам (SPD, от англ. Single Photon Detectors) в последнее время значительно вырос благодаря развитию и демонстрации большого количества новых научных и технических приложений их использования [23], например, исследование источников одиночных фотонов на основе квантовых точек [24], квантовая криптография, квантовые вычисления и квантовый компьютер [25,26], ЛИДАР (LIDAR, от англ. Light Detection and Ranging «обнаружение и определение дальности с помощью света») применения [27], тестирование интегральных схем [28] и пр. Как правило, такие приложения требуют, чтобы SPD сочетал несколько важных свойств: высокое (пикосекундное) временное разрешение или джиттер (от англ. jitter), высокую скорость счета (гигагерцового диапазона), малые значения темновых отсчетов, высокую квантовую эффективность [29].

Существуют различные типы однофотонных детекторов, которые отличаются принципами работы, структурой и используемыми материалами, что, в свою очередь, определяет параметры устройств. Ниже приведены основные виды и характеристики SPD.

1.1.1. Фотоэлектронные умножители

Фотоэлектронный умножитель (PMT, от англ. PhotoMultiplayer Tube) исторически был первым устройством, способным обнаруживать одиночные фотоны. С момента создания первых устройств, PMT демонстрируют значительное развитие и значительное расширение области их применения [30]. PMT состоит из вакуумной камеры, содержащей анод, несколько динодов и фотокатода. Когда фотон ударяется о фотокатод он выбивает электрон (фотоэлектронная эмиссия), который двигаясь к первому диноду ускоряется приложенным электрическим полем, вызывая при этом эмиссию вторичных электронов при ударе. Последовательное воздействие электронов на другие диноды лавинно умножают количество электронов, которые в конечном итоге поступают на анод. В связи с лавинообразным умножением электронов, поступающий на анод поток электронов приводит к легко измеряемому току [31]. PMT широко используются в ядерной физике низких энергий, физике элементарных частиц и медицине [32] благодаря своей стабильности и простому принципу работы [33].Эффективность регистрации типичного PMT составляет 30-40% на длине волны Х=400-500нм [34-36], и около 2% на длине волны 1550 нм, что связано с уменьшением вероятности фотоэффекта при снижении энергии фотона. Помимо относительно высокой системной квантовой эффективности SDE (от англ. System Quantum Efficiency), PMT устройства демонстрируют в видимом диапазоне длин волн достаточно высокие эксплуатационные характеристики, такие как джиттер ~300 пс, скорость темновых отсчетов DCR (от англ. Dark Counts Rate) ~100 с-1, максимальную скорость счета ~10 МГц [35-37]. Однако, важно подчеркнуть, что PMT реализованы как вакуумные приборы и, поэтому, их масштабируемость, надежность и продолжительность срока эксплуатации ограничены, а стоимость относительно высокая. Снижение квантовой эффективности в ближнем

инфракрасном диапазоне также снижает возможность их использования в целом ряде перспективных приложений.

1.1.2. Однофотонные лавинные диоды

Твердотельный полупроводниковый аналог вакуумных фотоумножителей существует в виде однофотонного лавинного фотодиода (SPAD, от англ. SinglePhoton Avalanche Diode). В лавинных фотодиодах фото-возбужденная электронная эмиссия и каскадное усиление происходят внутри полупроводника (внутренний фотоэффект). Лавинные фотодиоды для обнаружения одиночных фотонов в видимом и ближнем инфракрасных диапазонах явились результатом изучения процесса лавинного пробоя в кремниевых диодах.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Мошкова Мария Александровна, 2022 год

- ■ -

■

■ ■

: ш :

- -

- -

; ■ г я г

;

■

1 20 2 5 3 0

I, мкА

Рисунок 23. График зависимости темновых отсчетов от тока смещения 4-РКК детектора

4.2. Измерения, выполненные с непрерывным источником излучения 4.2.1. Системная квантовая эффективность

При измерении системной квантовой эффективности и скорости темных отсчетов мы использовали методы и экспериментальные установки, подробно описанные в 3 главе, п. 1. Измерения проводились с использованием источника непрерывного излучения (С^) с установленной мощностью 0,128 пВт на длине волны X = 1550 нм, что соответствует 106 фотонам в секунду или 10-3 фотонов в

1 нс. Согласно статистике Пуассона р = —^— (где ц - среднее число фотонов, а

т - количество фотонов, попавших на детектор) при таком потоке фотонов вероятность попадания более одного фотона во временное окно 2 нс (что эквивалентно мертвому времени детектора) на три порядка ниже вероятности нахождения в таком окне одного фотона. Так, при попадании 1 фотона (т=1) при ц=10-3 фотонов в 1 нс р=0,000999, следовательно, при т>1 р<0,000999. Этот факт позволяет нам не учитывать срабатывания, вызванные одновременно несколькими фотонами. Кроме того, мы измерили зависимость количества

92

фотонов от уровня компарации (рис. 24(а)). Данный график демонстрирует, что вероятность двухфотонных срабатываний детектора для потока фотонов 106 с-1 соответствует ~10-3, т.е. разница между однофотонным режимом (первое плато) и многофотонным (второе плато) составляет 3 порядка. Исходя из того, что исследуемые детекторы при мощности 0,128 пВт работают только в однофотонном режиме, можно сделать следующий вывод: 4-?КЯ SSPD имеют достаточно хорошую изоляцию между секциями в виде дополнительного сопротивления и, следовательно, имеют низкие значения вероятности каскадного переключения.

На рисунке 24(б) представлены зависимости SDE и DCR от тока смещения для двух исследуемых образцов: 1 образец №269 с топологией Т1, второй - Т2 №198 (см. Глава 2 п.2.4 рис.16 и рис.15 соответственно). Самые высокие значения SDE в однофотонном режиме (SDE1_cw - системная квантовая эффективность при детектировании 1 фотона в CW режиме) мы получили для образца - 86±3% при токах смещения 27 мкА, что соответствует 35 с-1 темновых отсчетов (рис. 25б красные закрашенные символы). Для образца №Т2, эффективность обнаружения составила 55±3% при токе смещения 36 мкА при значении темновых отсчетов ~ 100 с-1.

а)

б)

Рисунок 24. а) Зависимость количества срабатываний PNR SSPD от уровня компарации для образца №Т 1 при токе смещения 27 мкА; б) Экспериментальные зависимости ББЕ (не закрашенные символы) с использованием CW-лазера и скорости темного отсчета (закрашенные символы) от тока смещения для образца №Т 1 - красная кривая и Т2 - синяя

кривая

Таким образом, по полученным результатам образец, имеющий разработанную нами топологию Т1 (№269), обладает наилучшим значением квантовой эффективности, и еще раз доказывает, что квантовые эффективности отдельных секций, при таком их расположении, имели равные и высокие значения, что привело в дальнейшем к значительному увеличению эффективности многофотонных срабатываний.

4.2.2. Мертвое время

Как описано в Главе 3 п. 3.2, мертвое время SSPD определяется из измерений импульса напряжения, который возникает при поглощении фотона сверхпроводящей нанополоской. В момент срабатывания часть полоски переходит в нормальное состояние, что вызывает падение тока смещения через структуру и, как следствие, падение ее квантовой эффективности. Т.е. детектор при возникающем импульсе напряжения будет иметь меньшую квантовую

эффективность, которая постепенно увеличивается по мере восстановления сверхпроводимости.

На основе полученной осциллограммы электрического импульса, генерируемого детектором (рис. 25) при поглощении одиночного фотона, можно определить мертвое время мультиэлементого детектора. В данном случае, это детектор топологии Т1(№269), имеющий 4 секции равномерно распределённых на площади 15х15 мкм2. На осциллограмме можно наблюдать волнообразную зависимость времени падения импульса, что связано с усилительным трактом.

т, нс

Рисунок 25. Электрический импульс 4-РКК ББРО, полученный при измерении с CW источником и в однофотонном режиме работы детектора

Согласно полученной осциллограмме мертвое время, определяемое как время, соответствующее падению напряжения от его максимального значения после срабатывания детектора, в е раз, составило ~2 нс. Если сравнить полученные результаты, со «стандартными» ББРО такой же площади (15х15 мкм2), мертвое время детектора будет иметь значение -15 нс [61] и такая

95

разница объясняется отличиями в индуктивностях детекторов (рассчитанные значения для PNR составляет -281 нГн, а для SSPD ~ 1125 нГн).

Таким образом, кроме способности различать число фотонов в одном оптическом импульсе, мультиэлементые детекторы позволяют значительно сократить мертвое время детектора и, тем самым, повысить максимальную скорость счета фотонов. Также, важно отметить, что, используя данную топологию для детекторов с увеличенной входной апертурой, где требуется создание очень длинной сверхпроводниковой полоски, удается значительно уменьшить значения индуктивности и, тем самым, избежать ухудшение мертвого времени, а также джиттера детектора с увеличенной входной апертурой.

4.3. Измерения, выполненные с импульсным источником излучения

4.3.1. Временное разрешение

Джиттер 4-РКЯ детектора измерялся с помощью метода, описанного в главе 3, п. 3. Мощность лазера соответствовала среднему числу фотонов в импульсе излучения ц=0,1, поэтому преобладающее количество импульсов напряжения от детектора SSPD соответствовало обнаружению одиночных фотонов, а количество многофотонных срабатываний детектора было незначительным. Результаты измерений представлены на рисунке 26. Измеренное значение джиттера (FWHM) составило 90,7 пс.

О 50

Время, пс

Рисунок 26. Статистическая зависимость распределения времени возникновения импульсов напряжения 4-PNR SSPD нормированная на 1. На вставке - зависимость рассчитанных значений j noise и jsys для импульсов, в которых амплитуда соответствует 1-4 фотонным

срабатываниям

Подстановка значений, полученных в наших измерениях в уравнение 12 главы 3 (где среднеквадратичный шум усилителей oRMS=5,6 мВ, амплитуда импульса напряжения АУ=70 мВ и время нарастания этого импульса Дt=450 пс), позволяет рассчитать джиттер, связанный со схемой усиления, равный jnoise = 84,6 пс и являющийся определяющим компонентом в измеренном временном разрешении системы. Вероятнее всего, такое значение определяется амплитудой импульса напряжения, характерной для однофотонных срабатываний. Рассчитанное значение внутреннего джиттера SSPD составляет .Ы = 30,7 пс, что характерно для традиционных приемников на основе SSPD. Используя уравнения (11), (12) главы 3 и полученное значение jint, мы также рассчитали значения для jnoise и jsys для импульсов, в которых амплитуда соответствует 2-, 3- и 4-фотонным срабатываниям (вставка на рис. 26).

Полученные значения джиттера системы для этих многофотонных событий составили 52 пс, 41 пс и 36 пс, а джиттер, возникающий при прохождении импульса от 4-PNR SSPD через схему усиления - 42 пс, 28 пс и 21 пс соответственно. Дальнейшее улучшение джиттера системы возможно добиться за счет использования охлаждаемых усилителей с меньшим уровнем шума и детекторов с более высоким значением критического тока.

4.3.2. Системная квантовая эффективность

Так как обнаружение одновременно нескольких фотонов PNR SSPD состоит из независимых событий детектирования фотонов каждой секцией, то эффективность такого процесса определяется как:

^_^ = ИОВ1 ск (13),

И поэтому высокая квантовая эффективность PNR детектора при детектировании одиночного фотона является его необходимой характеристикой. Измерения квантовой эффективности с использованием импульсного лазера проводились для образца №269 (образец с топологией Т1 ). Мы использовали лазер, работающий на длине волны X = 1550 нм и с частотой следования импульсов f = 10 МГц. Мы измерили количество отсчетов в секунду в зависимости от уровня компарации для двух значений мощности лазера, соответствующих среднему числу фотонов в импульсе ^ = 0,1 и ^ = 2. Полученные зависимости приведены на рисунке 27 и имеют ожидаемый ступенчатый вид. При низких уровнях компарации, меньше амплитуды импульса напряжения, возникающего при срабатывании детектора на один фотон, число событий соответствует сумме импульсов со всеми возможными амплитудами и включает одновременное срабатывание одной, двух, трех и четырех секций детектора, т. е. Nexp(1)+Nexp(2)+Nexp(3)+Nexp(4), где Nexp(n) -число одновременных срабатываний п секций детектора. При уровнях срабатывания, превышающих амплитуду импульса детектора при обнаружении

98

одного фотона, счетчик начинает отсчитывать которые

соответствуют одновременному срабатыванию двух, трех и четырех секций детектора и так далее. Таким образом, мы можем измерить количество отсчетов, соответствующее различным амплитудам, которые могут быть записаны в виде

М^(п) = (0, где ^количество секций детектора. Эту зависимость

Мехр(п) удобно выразить через уровень амплитуды напряжения сигнала, возникающего при однофотонном режиме работы детектора. (верхняя ось на рис. 27). Поскольку детектор имеет четыре независимых секции, т.е. способен регистрировать одновременное поглощение до четырех фотонов, то кривые Мехр(п) должны иметь четыре отдельных плато, как показано на рисунке 27(б). При ^ = 0,1 вероятность обнаружения 3 и 4 фотонов в оптическом импульсе очень мала (1,5-10-4 и 110-6), что затрудняет измерение 3-фотонных и 4-фотонных срабатываний, поскольку "ступени" становятся размытыми (рис. 27(а)). Когда среднее число фотонов в импульсе увеличивается до ^ = 2, все 4 плато становятся легко различимыми.

Теоретическое выражение ЭД^п) может быть вычислено как:

N(п) = /•Х.т[Ро(М,т)Р(т,п)] (14), где р0 т) = - распределение Пуассона, / - частота повторения

т!

оптических импульсов, Р(т, п) - вероятность одновременного срабатывания п секций детектора при падении т фотонов на детектор, которая может быть определена как:

Р(т,п) = X -=^-т^^;• (П^)• о-мг-(15),

т1,т2,...,тг ([ [.=1т{!) • (т - тi)!

где п - эффективность обнаружения каждой секции, тI - количество фотонов, поглощенных /-ой секцией. При суммировании в уравнении (15) мы выбираем т, таким образом, что каждая п секция поглощает по крайней мере один фотон, а каждая к-п секция не поглощает ни одного фотона, т.е.

необходимо подсчитать вероятность срабатывания п секций при падении на все к секций т фотонов. Понятно, что если из к секций одновременно сработают только п, то к-п секций - нет, поэтому перебираются всевозможные комбинации сработавших п секций и несработавших к-п секций среди всех к секций.

а) б)

Рисунок 27. Зависимости числа отсчётов 4х секционного PNR SSPD детектора (Мехр (п), сплошная кривая) от уровня срабатывания компаратора выраженного в единицах амплитуды напряжения при срабатывании детектора на одиночный фотон для образца #Т1; значения МШ(п) (столбцы), рассчитанные в соответствии с (14) для количества зарегистрированных фотонов в диапазоне 1-4. Зависимости Мехр (п) и значения МШ(п) представлены для ц = 0,1

(а) и ц = 2 (б).

Кроме того, мы попытались сопоставить зависимость числа отсчетов от уровня компарации (представленного на рисунке 27) со значениями Ма (п) = (?), полученными на основе уравнения (14) и с учетом измерения

SDE1_cw для детектора №Т1. Рассчитанные значения М^(п) представлены на рисунке 3 в виде темно-синих столбцов с ББЕ^™ = 86% и п = ЗБЕ^^М Полученные экспериментальные результаты показывают хорошее совпадение с расчетными значениями. Для ц = 2 мы оценили разницу между Mexp и Mth и получили 4%, 5,7%, 7%, 37% для 1, 2, 3, 4 фотонных срабатываний

соответственно. Для 4 фотонов мы наблюдали более высокое значение ошибки, что можно объяснить неточностью расчетов при применении нашей модели в случае, когда п = к и, возможно, неодинаковостью значений DCR для разных секций.

Системную квантовую эффективность одновременного обнаружения п фотонов можно определить экспериментально как:

тах (п) (16),

где Кехр(п) - экспериментальное значение числа отсчётов при срабатывании п секций (обнаружении п фотонов); Ктах(п) - максимальное значение Кш(п) (уравнение 14) при кп = 1, т.е. в случае идеального детектора.

На рисунке 28 представлены зависимости ББЕп^ и 8БЕп_рике(п), рассчитанные из уравнений 1 и 4 (с использованием результатов измерений CW лазером) для детекторов №1 и №2.

100

10

с

ш

а

с/э

1

0,1

12 3 4

П

Рисунок 28. Зависимости SDEn_cw (п) и SDEn_pu1se (п)

Из сравнения зависимостей SDEn_pu1se и SDEn_cw можно сделать несколько выводов. Указанные зависимости для образца № Т1 почти полностью совпадают, за исключением незначительных различий, которые видны только при п = 4, в то время как образец № Т2 показывает существенные различия,

начиная с п = 2. Мы считаем, что это связано с тем, что все четыре секции детектора № Т1 работали идентично (имели примерно одинаковые значения п), в отличие от детектора № Т2, где разброс значений п может быть значительным. Этот разброс, по нашему мнению, частично объясняется неодинаковыми значениями падающей мощностей для каждой секции детектора, вызванными пространственной неоднородностью излучения на выходе одномодового волокна, которое подчиняется распределению Гаусса. Это несоответствие в эффективностях должно присутствовать для топологии детектора № 198 (образец № Т2) (так как секции распределены по активной площади детектора не однородно) и отсутствовать для топологии детектора № 269 (образец № Т1), что действительно подтверждается экспериментом. Однако такое значительное различие между SDEn_pulse и SDEn_cw не может быть объяснено только топологией чувствительного элемента детектора № Т2. По-видимому, существует также некоторая неоднородность эффективности обнаружения по секциям, которая может быть связана, например, с некоторым сужением в одной из секций детектора.

Таким образом, нами было проведено сравнение двух топологий Т1 и Т2 4-PNR SSPD детекторов, в результате которого по приведенным значениям квантовой эффективности была определена наилучшая. Представленная тенденция наблюдалась для всех созданных нами образцов с топологиями Т1 и Т2.

Также для детектора с высокой SDE=86% ±3%, были исследованы и измерены все основные характеристики, а именно: скорость темнового отсчета (35 с-1), мертвое время (~2 нс) и джиттер (-90 пс). Кроме того, полученные результаты эффективности обнаружения РККЯ SSPD с топологией Т1 для многофотонных событий показывают хорошую однородность эффективности по секциям детектора. Кроме того, нами была продемонстрирована

возможность восстановления статистики источника излучения с использованием созданного 4-РКЯ ББРБ.

В заключение, приведем сравнение созданного 4-РКК ББРО с другими типами детекторов, работающих в режиме РКЯ и доступных в настоящее время (таблица 6).

Таблица 6. Сравнение многоэлементных однофотонных детекторов

Тип SDE, Температура, Джиттер, Мертвое Темновые Ссылки

детектора % K пс время, нс отсчеты, с-1

4-PNR 86 2 90 2 35 Данная работа

TES 95 0.1 25000 200 500 [21-23]

PMT 2 200 367 100 5000 [24]

SPAD 25 173 55 200 100 [25-28]

4.4. Изучение вероятности каскадного переключения

Дополнительной особенностью при работе РКК ББРО является возможность каскадного переключения секций детектора при срабатывании одной из них при поглощении фотона. Этот нежелательный эффект, приводящий к дополнительным ложным срабатываниям, необходимо было детально исследовать.

Для достижения обозначенной цели, мы использовали детектор №505, который содержит четыре независимых параллельно соединенных сверхпроводящих полоски шириной 100 нм. Каждая такая полоска (секция) имела дополнительное сопротивление 100 Ом. Все полоски были равномерно распределены на площади 15х15 мкм2 с фактором заполнения 0,5. Для достижения высокой квантовой эффективности использовался оптический резонатор: подложка А1203 430 мкм /Аи 80 нм 180 нм /ЫЪК 6 нм /А1203

220 нм ^ 123 нм. РКЯ SSPD был соединен со стандартным одномодовым волокном и охлажден до 1,7 К с использованием откачной вставки в стандартный транспортный сосуд Дьюара. В этой части работы мы

103

использовали детектор с равномерным распределением секций по всей чувствительной области.

Прежде всего, нами была измерена системная квантовая эффективность (SDE) и скорость темновых отсчетов (DCR) детектора (рис. 29). Мы использовали непрерывный источник света (CW-излучение) мощностью 0,128 пВт, что соответствует 106 фотонам в секунду для лазера с Х=1550 нм. Поскольку у РКЯ SSPD детектора возникают импульсы с разными амплитудами, мы установили уровень триггера на счетчике электрических импульсов обеспечивающий регистрацию всех возникающих импульсов напряжения.

25 30 35 40

I, мкА

Рисунок 29. График зависимостей системной квантовой эффективности и скорости темновых

отсчетов от тока для РКК ББРО

Наш детектор имел системную квантовую эффективность ~79% при токе смещения 40 мкА и при -25 темновых отсчетов в секунду. Следует отметить, что поскольку даже при таком маломощном источнике имеются импульсы

детектора для двух, трех и т. д. одновременно поглощенных фотонов, истинная квантовая эффективность детектора была несколько выше и соответствовала наилучшим характеристикам «стандартных» SSPD, т.е. SSPD не различающих число фотонов.

Также, мы измерили зависимости отсчетов при нескольких фиксированных токах смещения (31, 33, 35, 37 и 39 мкА) и при различной мощности CW-лазера (0,128-1,28 пВт) в зависимости от уровня компарации счетчика. Результаты этого эксперимента для разных токов представлены на рисунке 30. Как и ожидалось, при срабатывании детектора и возникновении импульса напряжения, РКЯ SSPD демонстрирует возникновение импульсов с разной амплитудой. Так, например, начиная с уровня компарации около120 мВ для тока 31 мкА (рис. 30(а)) и 150 мВ для тока 39 мкА (рис. 30(д)), число импульсов уменьшается, а затем выходит на плато, что соответствует импульсам, возникающим при одновременном поглощении двух или более фотонов. При более малых токах и мощностях излучения можно наблюдать небольшой разброс количества срабатываний детектора с увеличенной амплитудой, что может быть связано с их малым количеством и увеличением относительного вклада фонового шума.

Таким образом, нами было экспериментально определено количество импульсов при поглощении более одного фотона (Кехр) для разных токов смещения и для разной мощности CW-лазера.

а)

103

10

\ ',

---- ------- —^

Чл - - - --

1,280 пВ1 0,640 пВг 0,320 пВг

N

- • 0,213 пВг ■ 0,160 пВх \ /.

—•— 0,128 пВг

' 1 ' 1 ■ 1 1 ■

0,00 0,03 0,06 0,09 0,12 0,15 0,18 0,21 Уровень компарации, С

в)

б)

г)

д)

Рисунок 30. Графики зависимостей отсчетов PNR SSPD при разных мощностях излучения и разном токе смещения детектора Ь от уровня компарации счетчика: а) Ь=31 мкА; б) Ib=33

мкА; в) Ib=35 мкА; г) !ь=37 мкА; д) Ib=39 мкА

Для того, чтобы определить влияние каскадного переключения, мы теоретически рассчитали количество возможных импульсов детектора при одновременном поглощении более одного фотона. Мы исходили из следующих положений:

1) Зная мощность лазерного излучения (Р), мы можем рассчитать среднее

время между приходом двух последовательных фотонов (т) как: т = где h -

постоянная Планка, с - скорость света, а X = 1550 нм - длина волны источника излучения.

2) Поскольку мы использовали в качестве источника CW-лазер,

подчиняющийся статистике Пуассона, вероятность (Рь) возникновения хотя бы

одного фотона в течение времени та после срабатывания детектора можно найти

-Ы

из следующего выражения: Рь = 1 — е т. Тогда количество фотонов (К"рь),

Рь 1-е т

попавших на детектор за время та, определяется как: = — = —-—.

3) Мы предположили, что импульс от РКЯ детектора может быть зарегистрирован в виде импульса с увеличенной амплитудой (импульса при одновременном поглощении более чем одного фотона) в случае, когда последующий фотон поглощается сверхпроводниковой структурой в течение «мертвого времени» детектора или в момент восстановления сверхпроводимости после первоначально сработавшей секции. Это время характеризуется временем та и было определено нами из осциллограммы напряжения импульса при срабатывании РКЯ детектора (рис. 31) как время между моментом возникновения импульса напряжения на детекторе (передний фронт импульса напряжения имеет очень малую длительность) и моментом времени, при котором напряжение на детекторе уменьшается до уровня 0,1 от амплитуды импульса выходного напряжения. Это время составило 8.7 нс (рис.

•2 0 2 4 6 8 10 12 14 т, не

Рисунок 31. Осциллограмма импульса напряжения, возникающего на РКК SSPD при

детектировании фотона

4) Также мы предположили, что все секции РКК ББРО имеют одинаковую эффективность детектирования, равную 8БЕ8 = 80Б/4.

В этом случае выражение для числа импульсов напряжения с увеличенной амплитудой (N001) может быть представлено как:

3 1 — р т

Ы^^^ОЕ1-^- (17).

Сравнение экспериментальных и теоретических (N^0 значений

отсчетов с увеличенной амплитудой для разных токов смещения детектора и в зависимости от мощности источника излучения представлено на рисунке 32.

а)

в)

N

1,4x106

7,0x10

0,0'

N

2,0x105

,0x10

0,0-

1=33 мкА ■ N ехр Мса,(1) 1

0,0 0,2 0,4

0,6 0,8 Р, пВт

б)

N

6,0x105

3.0x10

0,0

0,0 0.2 0,4 0,6 0,8 Р, пВт

г)

1=39 мкА ■ N /

ехр

1.0 1.2

1=37 мкА ■ N ехр N-,(2) 1

/ /

1,0 1,2

0,0 0,2 0,4 0.6 0.8 1,0 1,2 Р. пВт

д)

Рисунок 32. График зависимостей Nexp(P) (символы ■) и К^Р) (черная кривая - (1), красная кривая - (2)) при разном токе смещения: а) 1ь=31 мкА; б) 1ь=33 мкА; в) 1ь=35 мкА; г) 1ь=37

мкА; д) 1ь=39 мкА

Представленные зависимости (рис. 32) демонстрируют, что при токах смещения 31 мкА и 33 мкА КеХр значительно меньше, чем N^(1). При токах 37 мкА и 39 мкА, наоборот, ^Хр> N^(1). При токе 35 мкА ^Хр точно соответствует N^(1). Более того, аналогичные закономерности наблюдаются во всем исследованном диапазоне мощности непрерывного лазера.

По нашему мнению, такая закономерность может быть объяснена с

учетом нескольких факторов. Прежде всего, при создании нанометровых

структур в различных секциях PNR ББРО могут наблюдаться небольшие

случайные отклонения толщины пленки и ее стехиометрии, ширины

сверхпроводящей полоски и величины последовательного, а также контактного

сопротивления и т.д. Это приводит к тому, что секции детектора PNR не

полностью идентичны, а ток в таких параллельных секциях распределен

неравномерно. В некоторых секциях он оказывается ближе к критическому току

нарушения сверхпроводимости (1е), а в других - дальше от него. Учитывая, что

квантовая эффективность любого детектора ББРО зависит от 1ь, понятно, что

при малых токах смещения квантовая эффективность различных секций

детектора может варьироваться. Таким образом, в выражении для N»/(1),

1

использование значения Б0Е3 = -БЮЕ, что подразумевает равенство

эффективности всех секций детектора, не совсем верно. Однако, общий экспоненциальный вид зависимости ^¿(Р) сохраняется.

Кроме того, поскольку вероятность каскадного переключения напрямую зависит от количества срабатываний PNR детектора при поглощении первого фотона, а величина этих срабатываний прямо пропорциональна мощности падающего излучения, количество каскадных переключений детектора прямо пропорционально падающей мощности: ^^.^-Р или ^^^АР, где А - некий коэффициент пропорциональности.

Таким образом, общее количество импульсов с удвоенной амплитудой будет суммой откликов детектора на фотон, попавших на детектор за время ^

110

после поглощения первого фотона, и значений отклика из-за каскадного переключения детектора, т.е.:

1-е-1Т Ь.с-1 ( -Иа\

Ыса1 (2) = Б0Е3+ Ысаз^ = Б0Е3 у (1-е ^м) Р + АР (18).

В этом выражении два параметра являются подгоночными - SDE и А. Поскольку они определяют различные зависимости (экспоненциальную и линейную), можно однозначно найти эти значения из сравнения Кса1(2) и Кехр. В таблице 7 представлены найденные значения SDE и А из лучшего соответствия Кехр и Кса1 типа (2), которые представлены в виде красной кривой на рисунке 34. Следует отметить, что экспериментальные зависимости Кехр(Р) аппроксимируются не экспоненциальной или линейной функцией, а только их суперпозицией. Графики также показывают, что преобладающая экспоненциальная зависимость Кехр и Кса1 на малых токах смещения сменяется линейной зависимостью, когда ток смещения детектора приближается к критическому току, что соответствует преобладанию каскадного переключения при больших токах смещения детектора.

Таблица 7. Параметры SDEs и A

Ток смещения 31 мкА 33 мкА 35 мкА 37 мкА 39 мкА

3- SDEs 0,054 0,14 0,44 0,52 0,62

A, 1/пВт 0 50 1000 1.3105 8.8105

Зная значение коэффициента A, мы рассчитали число каскадных переключений детектора для различных токов смещения и для различных мощностей падающего излучения (Ncas.sw.), а также отношение Ncas.sw./Nexp, которое характеризует долю каскадных срабатываний детектора от общего их числа. Результаты, представленные на рисунке 33, демонстрируют общую тенденцию к увеличению доли каскадного переключения с увеличением тока

смещения образца и увеличением мощности падающего излучения, которая достигает значений около 90% при токе смещения, близком к 1с. В то же время, представленные зависимости демонстрируют, что существует область токов смещения (в нашем случае, в области токов около 35 мкА), в которой при высокой вероятности обнаружения второго фотона (0,44 - см. Таблицу 7) доля каскадного переключения от общего количества импульсов РКЯ детектора составляет 0,3-3% для мощности входного излучения в диапазоне 0,128-1,28 пВт. Наши расчеты хорошо согласуются с предыдущими оценками, описанными в этой главе.

Рисунок 33. График зависимостей Кс^^./Кехр от тока смещения детектора для разных

мощностей

Отметим, что квантовая эффективность детектирования SDE, определенная с помощью сравнения Кехр и Кса1 для тока 35 мкА, составляет 0,44 / 3 = 0,147, что точно соответствует значению, полученному из измерений ББЕ для этого тока: SDEs = 1/4 ■ SDE = 1/4 ■ 0,6 = 0,15. Это подтверждает наше предположение о том, что эффективность отдельных секций РКЯ SSPD изначально различна при малых токах детектора (из-за неоднородности секций и неравномерного распределения тока между ними), и выравнивается с

увеличением тока. Ток смещения, при котором эффективность отдельных секций становится равной (в нашем случае 35 мкА), можно считать наиболее оптимальным током для функционирования РКЯ SSPD. Детектор при этом значении смещения демонстрирует высокую эффективность обнаружения и низкий вклад каскадного переключения.

ГЛАВА 5. Сверхпроводниковые однофотонные детекторы с увеличенной входной апертурой

Для изготовления детекторов с увеличенной входной апертурой мы использовали топологию PNR SSPD. Детектор с увеличенной входной апертурой состоит из четырех независимых секций, каждая из которых представляет собой сверхпроводниковую полоску из КЬК шириной ~ 120 нм (коэффициент заполнения 0,6) которая соединена с резистором, сопротивлением ~ 4 Ом, изготовленным из тонкой пленки золота. Мы использовали структуру, состоящую из четырех независимых секций (4-PNR детектор) с целью уменьшить кинетическую индуктивность каждой секции до значения, сравнимого со значением «стандартного» детектора малой площади (т.е. детектора с чувствительной областью, эффективно согласуемой с одномодовым волокном, ~15 х 15 мкм2). Несмотря на способность детекторов с увеличенной входной апертурой к определению количества фотонов в коротком импульсе излучения (из-за использования топологии PNR детекторов), эта особенность не является определяющей и не исследовалась нами. Детекторы были созданы с использованием технологического маршрута, который подробно описан в Главе 2.

Нами были изготовлены детекторы с различной входной апертурой (чувствительной областью) с целью реализации эффективного оптического согласования детектора со стандартным мультимодовым волокном с диаметром светопроводящей сердцевины 50 мкм. Наилучшие результаты мы получили для детекторов с чувствительной областью 40 х 40 мкм2, где каждая сверхпроводниковая полоска была равномерно распределена по всей чувствительной области. В этой главе представлены экспериментальные результаты исследования основных характеристик созданного приемника на основе детекторов с увеличенной входной апертурой и имеющего оптический ввод излучения в виде многомодового волокна (детектор №586) - квантовой

эффективности, уровня темновых отсчетов, мертвого времени, временного разрешения. Все измерения были выполнены при охлаждении сверхпроводника в криогенном рефрижераторе замкнутого цикла до температуры ~2.3 К.

5.1. Системная квантовая эффективность и скорость темновых отсчетов приемника одиночных фотонов на основе сверхпроводниковых детекторов с увеличенной входной апертурой

Системная квантовая эффективность на длине волны 900 нм и скорость темновых отсчетов были измерены с использованием методики, описанной в 3 Главе. В качестве источника света использовался ИК-спектрофотометр, а для измерения мощности на выходе волокна мы использовали калиброванный SPAD и счетчик электрических импульсов. Результаты измерений представлены на рисунке 34(а).

ш о

-

. SDEH э 900нм • • • •

• • • •

• •

• • ■ DCR ■ 1 ■

lb, МКА

1000000

100000

10000 н п

с. ф

1000 2

100

10

100000 10000-J i 1000 100 J

ю-i 1

1

1 2% __

26 и А *Л

• f •ч

• 28иА ЗОиА 32иА Ч. V %

• •

• ЗбиА ---

100 200 300 400 и, мВ

500

а) б)

Рисунок 34. а) Измеренные зависимости SDE и DCR от тока смещения детектора (1ь); б) Измеренная зависимость количества срабатываний детектора от уровня компарации счетчика электрических импульсов при разных токах смещения детектора

Максимальное измеренное значение SDE приемника на основе детектора с увеличенной входной апертурой составляет около 50% при DCR 300 отсчетов/с и около 47% при DCR 100 отсчетов/с. График свидетельствует, что

зависимость SDE(Ib) демонстрирует тенденцию к насыщению при токе, близком к критическому току нарушения сверхпроводимости. Это означает, что внутренняя квантовая эффективность, то есть вероятность возникновения импульса напряжения вследствие поглощения фотонов сверхпроводящей структурой, близка к единице при больших токах смещения. Уменьшение системной квантовой эффективности до уровня ~50 % связана, прежде всего, с недостаточно эффективным оптическим согласованием между детектором с активной площадью 40 х 40 мкм2 и волокном ММ с диаметром светопроводящей сердцевины 50 мкм. К сожалению, изготовленные детекторы с большей чувствительной областью имели меньшее значение системной квантовой эффективности из-за увеличения вероятности нарушения однородности топологии детектора.

Для измерения зависимости DCR(Ib) оптический вход излучения (многомодовое волокно) был закрыт черной крышкой. Следует отметить, что для достижения низкого уровня DCR детекторов с увеличенной входной апертурой требуется фильтровать фоновое излучение вне полосы приема приемника, которое излучается нагрузкой при комнатной температуре (300 К) и неизбежно поступает в детектор через волокно. По сравнению с одномодовым волокном количество фоновых фотонов, падающих на детектор через многомодовое волокно, значительно выше. К сожалению, эффективный метод фильтрации фонового излучения, который был применен к приемникам на основе одномодового волокна [148], не может быть использован для приемников на основе многомодового волокна. Поэтому мы решили уменьшить квантовую эффективность детектора в диапазоне длин волн, превышающих ~ 1500 нм двумя способами одновременно. Первый заключается в снижении эффективности поглощения излучения сверхпроводником на длине волны более 1500 нм. Для этого мы использовали подложку с брэгговским зеркалом, которая имеет хорошее отражение в диапазоне 800-1000 нм (> 95%) и прозрачна на

длинах волн выше 1500 нм. Кроме того, мы намеренно снизили внутреннюю квантовую эффективность детектора на длинах волн более 1500 нм. Как известно, внутренняя квантовая эффективность SSPD зависит от поперечного сечения сверхпроводящей полоски, и для детекторов, которые хорошо работают на более длинных волнах, требуется меньшее поперечное сечение полоски сверхпроводника [105]. В то же время детекторы с более широкой полосой и неизменной толщиной могут эффективно работать на коротких волнах. Поэтому, мы изготовили детекторы с различной шириной сверхпроводящей NN полоски толщиной 7 нм и обнаружили, что детекторы с увеличенной шириной сверхпроводниковой полоски до 120 нм демонстрируют зависимость ББЕ (1ь), близкую к насыщению при 900 нм, и в то же время обладают низкой внутренней эффективностью обнаружения (менее 5%) на длинах волн более 1500 нм. Т.е мы оптимизировали приемник одиночных фотонов для длин волн в окрестности 900 нм.

Благодаря представленным двум подходам нам удалось достичь уровня темнового счета для приемников на основе сверхпроводниковых детекторов с увеличенной входной апертурой менее 100 отсчетов/с. Зависимость DCR от тока смещения показана на рисунке 34(а) (черные символы). Отметим, что охлаждение оптического ввода излучения до азотных температур позволяет значительно сократить уровень темновых отсчетов приемника, что подтверждает предположение о том, что БСЯ обусловлены фоновым излучением, поступающим на детектор от тел комнатной температуры. Достигнутое значение уровня темновых отсчетов в несколько сотен отсчетов в секунду является разумным значением для практического приемника. Область сильного экспоненциального роста DCR в зависимости от тока смещения детектора (собственных темновых отсчетов детектора) соответствует току смещения более 42 мкА (не представлена на рисунке 34).

Поскольку детектор с увеличенной входной апертурой имеет топологию РККЯ детектора в нем возможен эффект каскадного переключения, который необходимо было исследовать для определения его влияния на работу приемника. Для этого исследования мы использовали источник непрерывного излучения (С^лазер) с мощностью, соответствующей уровню, при котором теоретическая вероятность одновременного отклика любых двух секций детектора на четыре порядка меньше, чем вероятность отклика одной секции. Мы оценили экспериментальную вероятность каскадного переключения, измерив количество отсчетов в зависимости от уровня компарации счетчика электрических импульсов. Результаты этих измерений представлены на рисунке 34(б), где показано 5 зависимостей, соответствующих различным токам смещения детектора. Вероятность каскадного переключения при токе смещения детектора 36 мкА имеет достаточно большое значение, около 37%. Однако она снижается с уменьшением тока смещения и при токе смещения 30 мкА, где SDE ~ 47% и DCR ~ 100 отсчетов/с, вероятность каскадного переключения составляет менее 2%. Следует отметить, что вероятность каскадного переключения играет важную роль и когда SSPD работает в качестве детектора РККЯ, и при использовании топологии РККЯ детектора для создания приемников излучения с увеличенной входной апертурой, поскольку наличие этого паразитного эффекта приводит к искажению измеренной статистики фотонов (в случае РККЯ детекторов), временных характеристик возникающих импульсов напряжения, а именно джиттера и мертвого времени ББРО, уровня ложных срабатываний. Подбор оптимального тока смещения, соответствующего высокой квантовой эффективности детектора, низкому уровню темновых отсчетов и низкой вероятности каскадного переключения, позволяет эффективно использовать сверхпроводниковые однофотонные детекторы с увеличенной входной апертурой и с топологией РКЯ ББРО.

5.2. Мертвое время и временное разрешение сверхпроводниковых однофотонных детекторов с увеличенной входной апертурой

Мертвое время детектора с увеличенной входной апертурой было определено в соответствие с методикой, представленной в Главе 3, по осциллограмме электрического импульса, генерируемого детектором. На рисунке 35 показана осциллограмма электрического импульса при срабатывании только одной секции детектора. Согласно полученному изображению, мертвое время, определяемое как время, соответствующее падению напряжения на ниспадающем фронте импульса напряжения в е раз, составило 22 нс. Аналогично нами было измерено мертвое время в случае срабатывания двух и трех секций детектора, которое составило значения 28 нс и 37 нс, соответственно. Как было показано выше, вероятность каскадного переключения второй секции при токе смещения детектора 30 мкА составляет около 2%. Вероятность каскадного переключения третьей секции составляет менее 1%. Следовательно, увеличение мертвого времени детектора в случае одновременного срабатывания нескольких секций не вносит существенного вклада в общее мертвое время детектора с увеличенной входной апертурой в случае использования мощности излучения, при которой вероятность многофотонных процессов пренебрежимо мала.

100 80 60

лл 40

Ю

S

- 20

>

0 -20 -40

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Время, не

Рисунок 35. Осциллограмма электрического импульса, генерируемого SSPD с активной

областью 40*40мкм2

Джиттер или временное разрешение детектора с увеличенной входной апертурой было определено нами методом, представленным в Главе 3 с использованием техники коррелированного счета фотонов (TCSPC SPC-150NX от Becker & Hickl GmbH) и импульсного источника излучения (длительность импульса ~ 1 пс). Импульсный лазер имел стандартное одномодовое волокно (SMF-28e) в качестве выхода излучения, которое подавалось на многомодовое волокно, соединенное с SSPD большой площади. Такой подход не позволяет освещать все активные области детектора равномерно, но мы предполагаем, что это не оказало существенного влияния на полученные данные. Мы устанавливали мощность лазера на уровне, соответствующем ~ 0,1 фотона в импульсе излучения, и поэтому детектор работал в условиях, когда вероятность одновременного срабатывания нескольких секций детектора при одновременном поглощении нескольких фотонов была пренебрежимо малой. Джиттер измерялся на уровне компарации счетчика электрических импульсов ~50 мВ, что составляло примерно половину амплитуды импульса напряжения

при срабатывании одной секции детектора. При измерениях также учитывались импульсы, возникающие при каскадном переключении детектора. Результаты измерений джиттера представлены на рисунке 36.

1 л \ ' 1 1 -

\

1

' 13(^пс \ -

»

/

/ \

V *

-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200

Время, пс

Рисунок 36. Нормированная временная гистограмма количества возникающих отсчетов детектора с большой активной областью, измеренная при токе смещения Ib = 32 мкА

Измеренное значение джиттера FWHM (полная ширина на полувысоте представленной гистограммы) составило ~ 130 пс. Это значение больше, чем джиттер SSPD, сопряженного с одномодовым волокном [149,150]. Мы объясняем это тем, что длина сверхпроводниковой полоски каждой секции детектора большой площади примерно в два раза больше, чем у «стандартного» детектора малой площади, эффективно согласованного с одномодовым волокном. Это приводит к пропорциональному снижению крутизны нарастающего фронта импульса напряжения, возникающего при детектировании фотона. Кроме того, ток смещения, протекающий через каждую секцию детектора с увеличенной входной апертурой, составляет ~ 7,5 мкА, что неизбежно приводит к значительному вкладу шумовой составляющей в

измеряемом значении джиттера [106]. Тем не менее, нами было продемонстрировано, что измеренный джиттер SSPD большой площади меньше, чем у однофотонных счетчиков на основе APD [151], и может быть дополнительно улучшен путем оптимизации длины сверхпроводниковых полосок, составляющих секции SSPD, и приложенного тока смещения.

Таким образом, нами созданы и исследованы сверхпроводниковые детекторы одиночных фотонов с увеличенной чувствительной областью, эффективно согласующиеся со стандартным многомодовым волокном с диаметром светопроводящей сердцевины 50 мкм. Основные характеристики устройств (SDE, DCR, мертвое время, джиттер, вероятность каскадного переключения) лишь незначительно уступают характеристикам «стандартных» детекторов, сопряженных с SM-волокном, но явно превышают ранее полученные результаты детекторов с большой активной областью, а также характеристики полупроводниковых аналогов. Кроме того, разработанный SSPD может быть успешно использован в любом приложении, где требуется разрешение числа фотонов в коротком импульсе излучения.

Заключение

В ходе исследования были проведены исследования и получены следующие новые результаты:

- Разработаны и исследованы различные топологии многоэлементных детекторов, способных к разрешению числа фотонов в импульсе излучения ближнего ИК диапазона с целью выявления наиболее оптимальной для создания детекторов с высокой квантовой эффективностью.

- Разработана топология многоэлементных SSPD для создания детекторов с увеличенной входной апертурой с учетом всех особенностей и сложностей реализации длинной сверхпроводниковой полоски. Использованный подход позволяет уменьшить кинетическую индуктивность детекторов (Lk) и, следовательно, решить проблему ограничения максимальной скорости счета и ухудшения джиттера при создании одноэлементных сверхпроводниковых однофотонных детекторов с увеличенной входной апертурой.

- Разработан и реализован технологический маршрут создания многоэлементных детекторов, способных к разрешению числа фотонов в импульсе излучения ближнего ИК диапазона.

- Разработана, оптимизирована и реализована технологии создания многоэлементных SSPD детекторов с увеличенной входной апертурой.

- Проведены исследования характеристик созданных многоэлементных детекторов на постоянном токе: измерение температуры сверхпроводящего перехода структур (TC=8-9 К), критического тока нарушения сверхпроводимости (IC=27-42 мкА в зависимости от типа детектора), поверхностного сопротивления исходных сверхпроводниковых NbN пленок (RS=500-700 Ом/кв). Была оптимизирована технология создания структур с помощью найденной корреляции указанных выше характеристик с параметрами технологического процесса.

- Проведены экспериментальные исследования взаимодействия одиночных фотонов ближнего ИК диапазона с многоэлементными детекторами способными к разрешению числа фотонов в коротком импульсе излучения ближнего инфракрасного диапазона и в топологии однофотонного приемника с увеличенной входной апертурой: измерение временной стабильности возникновения сигнала напряжения при поглощении детектором одиночного фотона (джиттер), исследование максимальной скорости счета, изучение скорости темновых отсчетов, измерение квантовой эффективности, исследование вероятности каскадного переключения секций (cascade switching).

- Проведен анализ полученных результатов, а именно: сравнение измеренных характеристик многоэлементных детекторов с характеристиками одноэлементных SSPD; выявление особенностей и определение оптимальных режимов функционирования многоэлементных сверхпроводниковых однофотонных детекторов; выявление влияния параметров технологического процесса изготовления и особенностей топологии сверхпроводниковых однофотонных детекторов на их характеристики, направленное на создание многоэлементных детекторов с параметрами, близкими к лучшим значениям для одноэлементных SSPD.

Таким образом, впервые созданы сверхпроводниковые NbN однофотонные детекторы с высокой квантовой эффективностью, способные различать количество фотонов в импульсе излучения ближнего инфракрасного диапазона длительностью менее мертвого времени детектора. Лучшие характеристики детектора составили: системная квантовая эффективность на

длине волны 1550 нм--86%; скорость темновых отсчетов - 35 с-1, мертвое

время - 30 нс, джиттер - 90,7 пс, вероятность каскадного переключения - 0,1 %.

Детально исследована вероятность каскадного переключения сверхпроводниковых NbN однофотонных детекторов и показано, что значение этой вероятности зависит от тока смещения детектора и мощности входного

излучения. Кроме того, показано, что можно подобрать ток смещения детектора, который соответствует высокому уровню эффективности обнаружения и низкому уровню вероятности каскадного переключения одновременно. Для созданного для этой цели устройства были достигнуты следующие характеристики: системная квантовая эффективность 60% и вероятность каскадного переключения 0,3-3% для диапазона мощности входного излучения 0,128-1,28 пВт.

Созданы высокоэффективные сверхпроводниковые однофотонные детекторы с увеличенной входной апертурой, сопряженные со стандартным многомодовым волокном (диаметр светопроводящей сердцевины 50 мкм) и обладающие рекордными характеристиками: системная квантовая эффективность на длине волны 1550 нм —47%; скорость темновых отсчетов -100 с-1, мертвое время - 2 нс, джиттер - 130 пс, вероятность каскадного переключения - <2 %.

В заключении автор выражает благодарность за полезные обсуждения, помощь в проведении экспериментов и участие в работе сотрудникам компании «Сконтел» и Проблемной радиофизической лаборатории (ПРФЛ) Учебно-научного радиофизического центра (УНРЦ) МПГУ: Вахтомину Юрию Борисовичу, Морозову Павлу Викторовичу, Дивочему Александру Валерьевичу, Антипову Андрею Владмировичу, Воронову Борису Моисеевичу.

Список используемой литературы

1. Gol'tsman G.N. et al. Picosecond superconducting single-photon optical detector // Applied Physics Letters. 2001. Vol. 79, № 6. P. 705-707.

2. Smirnov K. et al. NbN single-photon detectors with saturated dependence of quantum efficiency // Superconductor Science and Technology. 2018. Vol. 31, № 3. P. 035011.

3. Marsili F. et al. Detecting single infrared photons with 93% system efficiency // Nature Photonics. 2013. Vol. 7, № 3. P. 210-214.

4. Yamashita T., Miki S., Terai H. Recent progress and application of superconducting nanowire single-photon detectors // IEICE Transactions on Electronics. 2017. Vol. E100.C, № 3. P. 274-282.

5. You L. Superconducting nanowire single-photon detectors for quantum information // Nanophotonics. 2020. Vol. 9, № 9. P. 2673-2692.

6. Korneev A. et al. Single-photon detection system for quantum optics applications // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 2007. Vol. 13, № 4. P. 944-951.

7. Divochiy A. et al. Superconducting nanowire photon-number-resolving detector at telecommunication wavelengths // Nature Photonics. 2008. Vol. 2, № 5. P. 302-306.

8. Zhou Z. et al. Superconducting series nanowire detector counting up to twelve photons // Optics Express. 2014. Vol. 22, № 3. P. 3475.

9. Tao X. et al. A high speed and high efficiency superconducting photon number resolving detector // Superconductor Science and Technology. 2019. Vol. 32, № 6. P. 064002.

10. Xu R. et al. Experimental demonstration of superconducting series nanowire photon-number-resolving detector at 660 nm wavelength // IEEE Photonics Journal. 2019. Vol. 11, № 1. P. 1-8.

11. Kerman A.J. et al. Kinetic-inductance-limited reset time of superconducting nanowire photon counters // Applied Physics Letters. 2006. Vol. 88, № 11. P. 111116.

12. Li H. et al. Large-sensitive-area superconducting nanowire single-photon detector at 850 nm with high detection efficiency // Optics Express. 2015. Vol. 23, № 13. P. 17301.

13. Liu D. et al. Multimode fiber-coupled superconducting nanowire single-photon detector with 70% system efficiency at visible wavelength // Optics Express. 2014. Vol. 22, № 18. P. 21167.

14. Zhang C. et al. NbN superconducting nanowire single-photon detector with an active area of 300 ^m-in-diameter // AIP Advances. 2019. Vol. 9, № 7. P. 075214.

15. Hadfield R.H., Johansson G. Superconducting devices in quantum optics // Quantum Science and Technology. Cham: Springer International Publishing, 2016.

16. Miki S. et al. Large sensitive-area NbN nanowire superconducting single-photon detectors fabricated on single-crystal MgO substrates // Applied Physics Letters. 2008. Vol. 92, № 6. P. 061116.

17. Hadfield R.H. et al. Single photon source characterization with a superconducting single photon detector // Optics Express. 2005. Vol. 13, № 26. P. 10846.

18. Grein M. et al. A superconducting photon-counting receiver for optical communication from the Moon // SPIE Newsroom. 2015.

19. Gemmell N.R. et al. Singlet oxygen luminescence detection with a fiber-coupled superconducting nanowire single-photon detector // Optics Express. 2013. Vol. 21, № 4. P. 5005.

20. Smirnov K. et al. Dependence of dark count rates in superconducting single photon detectors on the filtering effect of standard single mode optical fibers // Applied Physics Express. 2015. Vol. 8, № 2. P. 022501.

21. Smirnov K. v et al. Rise time of voltage pulses in NbN superconducting single photon detectors // Applied Physics Letters. 2016. Vol. 109, № 5. P. 052601.

22. Shcheslavskiy V. et al. Ultrafast time measurements by time-correlated single photon counting coupled with superconducting single photon detector // Review of Scientific Instruments. 2016. Vol. 87, № 5. P. 053117.

23. Reiger E. et al. Spectroscopy with nanostructured superconducting single photon detectors // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 2007. Vol. 13, № 4. P. 934-943.

24. Zwiller V. et al. Single quantum dots emit single photons at a time: Antibunching experiments // Applied Physics Letters. 2001. Vol. 78, № 17. P. 2476-2478.

25. Livas J.C. et al. High-data-rate systems for space applications // Photonics West '95 / ed. Mecherle G.S. 1995. P. 38.

26. Knill E., Laflamme R., Milburn G.J. A scheme for efficient quantum computation with linear optics // Nature. 2001. Vol. 409, № 6816. P. 46-52.

27. Murphy D. v et al. Llcd operations using the lunar lasercom ground terminal // SPIE LASE / ed. Hemmati H., Boroson D.M. 2014. P. 89710V.

28. Shehata A.B., Stellari F., Song P. Superconducting single-photon detector enables time-resolved emission testing of low-voltage scaled ICS // EDFAAO 4. 2016. Vol. 18. P. 16-22.

29. Kurtsiefer C. et al. Long-distance free-space quantum cryptography // Photonics Asia 2002 / ed. Liu S. et al. 2002. P. 25.

30. Gaudio R. Investigation of the detection process in nanowire superconducting single photon detectors // Technische Universiteit Eindhoven. 2015.

31. Шендрик Р.Ю. Методы экспериментальной физики конденсированного состояния. Часть 3. Введение в физику сцинтилляторов // Методы экспериментальной физики конденсированного состояния. Часть 3. Введение в физику сцинтилляторов. Иркутск: изд-во Иркут. гос. ун-та, 2013. 110 p.

32. Leo W.R. Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 1994.

33. Kalousis L.N. et al. A fast numerical method for photomultiplier tube calibration // Journal of Instrumentation. 2020. Vol. 15, № 03. P. P03023-P03023.

34. Qian S. et al. Performance of the 20-inch dynode-photomultiplier tube with high quantum efficiency // Journal of Instrumentation. 2020. Vol. 15, № 06. P. T06005-T06005.

35. Wang W. et al. Performance of the 8-in. R5912 photomultiplier tube with super bialkali photocathode // Journal of Instrumentation. 2015. Vol. 10, № 08. P. T08001-T08001.

36. Nakamura K. et al. Latest bialkali photocathode with ultra high sensitivity // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2010. Vol. 623, № 1. P. 276-278.

37. Fu W. et al. Development of an ultra-fast photomultiplier tube with pulse-dilation technology // IEEE Access. 2020. Vol. 8. P. 47533-47537.

38. Haecker W., Groezinger O., Pilkuhn M.H. Infrared photon counting by ge avalanche diodes // Applied Physics Letters. 1971. Vol. 19, № 4. P. 113-115.

39. Excelitas. SPCM-AQRH Single Photon Counting Module [Electronic resource] // https://www.excelitas.com/file-download/download/public/60241 ?filename=Excelitas_SPCM-AQRH_Family_datasheet.pdf. 2020.

40. ID Quantique. ID100 Visible Single-Photon Detector [Electronic resource] // ht1ps://marketing.idquantique.com/acton/attachment/11868/f-0236/1/-/-/-/-/ID100_Brochure.pdf. 2007.

41. Tomita A., Nakamura K. Balanced, gated-mode photon detector for quantum-bit discrimination at 1550 nm // Optics Letters. 2002. Vol. 27, № 20. P. 1827.

42. Ribordy G. et al. Photon counting at telecom wavelengths with commercial InGaAs/InP avalanche photodiodes: current performance // Journal of Modern Optics. 2004. Vol. 51, № 9-10.

43. Yoshizawa A., Kaji R., Tsuchida H. Gated-mode single-photon detection at 1550 nm by discharge pulse counting // Applied Physics Letters. 2004. Vol. 84, № 18. P. 3606-3608.

44. Jiang W.-H. et al. 125 GHz sine wave gating InGaAs/InP single-photon detector with a monolithically integrated readout circuit // Optics Letters. 2017. Vol. 42, № 24. P. 5090.

45. ID Quantique. ID201 Single-Photon Detector Module [Electronic resource] // https://www.idquantique.com/resource-library/quantum-sensing/. 2007.

46. Albota M.A., Wong F.N.C. Efficient single-photon counting at 155 ^m by means of frequency upconversion // Optics Letters. 2004. Vol. 29, № 13. P. 1449.

47. Shentu G.-L. et al. Ultralow noise up-conversion detector and spectrometer for the telecom band // Optics Express. 2013. Vol. 21, № 12. P. 13986.

48. Langrock C. et al. Highly efficient single-photon detection at communication wavelengths by use of upconversion in reverse-proton-exchanged periodically poled LiNbO_3 waveguides // Optics Letters. 2005. Vol. 30, № 13. P. 1725.

49. Sahin D. Waveguide single-photon and photon number-resolving detectors. Technische Universiteit Eindhoven, 2014.

50. Technical Committee 90, International Electrotechnical Commission. Superconductivity. Part 22-1: Superconducting electronic devices - Generic specification for sensors and detectors. 2017.

51. Lita A.E., Miller A.J., Nam S.W. Counting near-infrared single-photons with 95% efficiency // Optics Express. 2008. Vol. 16, № 5. P. 3032.

52. Fukuda D. et al. Titanium-based transition-edge photon number resolving detector with 98% detection efficiency with index-matched small-gap fiber coupling // Optics Express. 2011. Vol. 19, № 2. P. 870.

53. Rosenberg D. et al. Noise-free high-efficiency photon-number-resolving detectors // Physical Review A. 2005. Vol. 71, № 6. P. 061803.

54. Miller A.J. et al. Demonstration of a low-noise near-infrared photon counter with multiphoton discrimination // Applied Physics Letters. 2003. Vol. 83, № 4. P. 791-793.

55. Lerch P., Zehnder A. Quantum Giaever detectors: STJ's // Cryogenic particle detection. Berlin New York: Springer, 2005. P. 217-266.

56. Ohkubo M. et al. Superconducting tunnel junction detectors for analytical sciences // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2014. Vol. 24, № 4. P. 1-8.

57. Brown A.-D. et al. Fabrication of an absorber-coupled MKID detector and readout for sub-millimeter and far-infrared astronomy // SPIE Astronomical Telescopes + Instrumentation / ed. Holland W.S., Zmuidzinas J. 2010. P. 77410P.

58. Hamamatsu. Photosensor modules H7422 series [Electronic resource] // https://www.hamamatsu.com/resources/pdf/etd/H7422_TPM01100E.pdf. 2021.

59. Hamamatsu. NIR-PMT Near infrared photomultiplier tube R5509-43 [Electronic resource] // https://www.hamamatsu.com/resources/pdf/etd/R5509-43_-73_TPMH1360E01.pdf. 2015.

60. ID Quantique. ID Qube Series: NIR Gated version [Electronic resource] // https://marketing.idquantique.com/acton/attachment/11868/f-926db6fe-7c84-4bed-92fa-6d90a2612e03/1/-/-/-/-/ID%20Qube%20NIR%20Gated%20Brochure.pdf. 2021.

61. Scontel. Catalog [Electronic resource] // https://www.scontel.ru/wp-content/uploads/2021/06/Catalog-2021v2.pdf. 2021.

62. Kadin A.M., Johnson M.W. Nonequilibrium photon-induced hotspot: A new mechanism for photodetection in ultrathin metallic films // Applied Physics Letters. 1996. Vol. 69, № 25. P. 3938-3940.

63. Sidorova M. v et al. Ultrafast superconducting single-photon detector with a reduced active area coupled to a tapered lensed single-mode fiber // Journal of Nanophotonics. 2015. Vol. 9, № 1. P. 093051.

64. Смирнов К.В. Особенности разогрева и релаксации горячих электронов в тонкопленочных сверхпроводниковых наноструктурах и 2D полупроводниковых гетеструктурах при поглощении излучения инфракрасного и терагерцового диапазонов. 2013.

65. Корнеев А.А. Квантовая эффективность и темновой счет NbN сверхпроводникового инфракрасного однофотонного детектора. Москва, 2006.

66. Semenov A.D., Gol'tsman G.N., Korneev A.A. Quantum detection by current carrying superconducting film // Physica C: Superconductivity. 2001. Vol. 351, № 4. P. 349-356.

67. Мошкова М.А. Исследование влияния содержания азота на критическую температуру и плотность критического тока тонких пленок NbN. Москва: МПГУ, 2017.

68. Ferrari S., Schuck C., Pernice W. Waveguide-integrated superconducting nanowire single-photon detectors // Nanophotonics. 2018. Vol. 7, № 11. P. 1725-1758.

69. Pernice W.H.P. et al. High-speed and high-efficiency travelling wave singlephoton detectors embedded in nanophotonic circuits // Nature Communications.

2012. Vol. 3, № 1. P. 1325.

70. Tong L. et al. Subwavelength-diameter silica wires for low-loss optical wave guiding // Nature. 2003. Vol. 426, № 6968. P. 816-819.

71. Hou X. et al. Ultra-broadband microfiber-coupled superconducting singlephoton detector // Optics Express. 2019. Vol. 27, № 18. P. 25241.

72. You L. et al. Microfiber-coupled superconducting nanowire single-photon detector for near-infrared wavelengths // Optics Express. 2017. Vol. 25, № 25. P. 31221.

73. Dauler E.A. et al. Review of superconducting nanowire single-photon detector system design options and demonstrated performance // Optical Engineering. 2014. Vol. 53, № 8. P. 081907.

74. Miller A.J. et al. Compact cryogenic self-aligning fiber-to-detector coupling with losses below one percent // Optics Express. 2011. Vol. 19, № 10. P. 9102.

75. Rosfjord K.M. et al. Nanowire single-photon detector with an integrated optical cavity and anti-reflection coating // Optics Express. 2006. Vol. 14, № 2. P. 527.

76. Miki S. et al. High performance fiber-coupled NbTiN superconducting nanowire single photon detectors with Gifford-McMahon cryocooler // Optics Express.

2013. Vol. 21, № 8. P. 10208.

77. Zhang W. et al. NbN superconducting nanowire single photon detector with efficiency over 90% at 1550 nm wavelength operational at compact cryocooler temperature // Science China Physics, Mechanics & Astronomy. 2017. Vol. 60, № 12. P. 120314.

78. Verma V.B. et al. High-efficiency superconducting nanowire single-photon detectors fabricated from MoSi thin-films // Optics Express. 2015. Vol. 23, № 26. P. 33792.

79. Reddy D. v et al. Achieving 98% system efficiency at 1550 nm in superconducting nanowire single photon detectors // Conference on Coherence and Quantum Optics. OSA, 2019. P. W2B.2.

80. Rosenberg D. et al. High-speed and high-efficiency superconducting nanowire single photon detector array // Optics Express. 2013. Vol. 21, № 2. P. 1440.

81. Esmaeil Zadeh I. et al. Single-photon detectors combining high efficiency, high detection rates, and ultra-high timing resolution // APL Photonics. 2017. Vol. 2, № 11. P. 111301.

82. Divochiy A. et al. Single photon detection system for visible and infrared spectrum range // Optics Letters. 2018. Vol. 43, № 24. P. 6085.

83. Shibata H. et al. Snspd with ultimate low system dark count rate using various cold filters // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2017. Vol. 27, № 4. P. 1-4.

84. Zhang C. et al. Suppressing dark counts of multimode-fiber-coupled superconducting nanowire single-photon detector // IEEE Photonics Journal. 2019. Vol. 11, № 5. P. 1-8.

85. Yang X. et al. Superconducting nanowire single photon detector with on-chip bandpass filter // Optics Express. 2014. Vol. 22, № 13. P. 16267.

86. Zhang W.J. et al. Fiber-coupled superconducting nanowire single-photon detectors integrated with a bandpass filter on the fiber end-face // Superconductor Science and Technology. 2018. Vol. 31, № 3. P. 035012.

87. Engel A. et al. Detection mechanism of superconducting nanowire singlephoton detectors // Superconductor Science and Technology. 2015. Vol. 28, № 11. P. 114003.

88. Marsili F. et al. Hotspot relaxation dynamics in a current-carrying superconductor // Physical Review B. 2016. Vol. 93, № 9. P. 094518.