超导纳米线单光子探测器（SNSPD）优异的时间特性（时间抖动和响应速度）是其最具吸引力的优势之一，并且已在量子通信、量子计算等领域中得到广泛应用。然而，由于SNSPD的各技术参数之间相互牵制，使得进一步提升SNSPD综合性能存在技术挑战。小光敏面SNSPD在时间特性上具有明显优势，但同时存在探测效率低的突出问题。
近期，中国科学院上海微系统与信息技术研究所和中国科学院超导电子学卓越创新中心的联合科研团队在《物理学报》期刊上发表了以“高综合性能超导纳米线单光子探测器”为主题的文章。该文章第一作者为郗玲玲，通讯作者为杨晓燕高级工程师和李浩研究员，杨晓燕主要从事超导电子学领域的研究工作，李浩主要从事超导单光子探测技术及应用的研究工作。
本文为面向量子信息应用的光纤耦合探测器，从开发实用化、产品化SNSPD出发，采用批量对准、高效耦合的自对准封装结构，围绕小光敏面自对准SNSPD综合性能的提升展开研究。
器件的设计、制备、封装
器件结构设计
设计的器件结构如图1（a）所示，最上方是由双层NbN超导薄膜刻蚀而成的纳米线，其下方是由SiO₂与Au组成的光学结构， 最下层是厚度为0.4 mm的Si衬底。其中NbN的单层膜厚为6.5 nm，两层之间通过3 nm的SiO₂阻隔，线宽/周期为75 nm/160 nm。相对常规单层纳米线而言， 双层纳米线结构在提升SNSPD探测效率和时间特性上都有明显优势：有效地打破由纳米线厚度引起的光吸收率与本征效率的制约关系，使二者同时得到提升; 拥有更高的超导转变电流和更小的动态电感， 帮助小光敏面SNSPD进一步优化时间特性。在光学谐振腔的选择上，采用Au/SiO₂方案替代常用的DBR反射镜。这是因为DBR反射镜通常需要几个微米的厚度才能实现高反射率，光在其中多次反射后发散较大，因而需要更大面积的探测器才能获得良好的光学吸收。并且对于自对准SNSPD而言更重要的问题是，工艺上刻蚀较厚的DBR反射镜非常困难，这导致只能从背面完成自对准芯片外轮廓的光刻和刻蚀。受限于紫外曝光设备背面套刻精度，采用DBR反射镜的自对准SNSPD很难缩小光敏面。而Au反射镜厚度仅为纳米量级，光束发散小; 而且容易刻蚀，可以从正面获取自对准芯片外轮廓，极大地提升了曝光时的套刻精度， 更适合小光敏面自对准SNSPD。除此之外，Au反射镜还拥有工艺容错率高、制备简单、反射谱较宽等一系列优势。为使纳米线在1310 nm入射波长处达到最佳吸收效果并考虑光学腔的加工制备情况，仿真模型中的SiO₂的厚度依照TSiO₂=λ/（4n）（其中λ为入射光波长，n为SiO₂折射率）选取为210 nm，Au的厚度为65 nm。图1（b）给出了利用有限元软件（Comsol Multiphysis）对不同器件结构进行光吸收仿真的情况。三条曲线分别表示在800-2000 nm波长范围内，无光学腔结构的单层NbN纳米线（黑色）、包含金属反射镜结构的单层NbN纳米线（蓝色）和包含金属反射镜结构的双层NbN纳米线（红色）的光吸收效率。可以看出本文所采用的双层纳米线和金属反射镜架构不仅在中心波长1310 nm处具有极高的光吸收效率，并且在1000-1700 nm较宽的波长范围内均展示出效率超过90%的宽谱吸收特性。
图1 （a）器件仿真模型；（b） 3种不同结构的纳米线在入射光800-2000 nm波段的光吸收仿真情况
器件制备工艺
图2展示了器件加工制备流程。其中Au薄膜由磁控溅射的方式生长，构成光学腔的SiO₂和作为中间绝缘层的SiO₂均采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）法制备，NbN薄膜则是由室温直流磁控溅射法生长。在制备完成所需薄膜后，除纳米线条采用电子束光刻技术（EBL）曝光外，其余图形均采用步进式紫外光刻机曝光。利用曝光显影后的光刻胶做掩膜，Au薄膜由离子束刻蚀法（IBE）刻蚀，SiO₂和NbN采用反应离子刻蚀法（RIE）刻蚀。Si衬底通过电感耦合等离子体法（ICP）刻蚀后，单个的芯片呈现锁孔形状，其主体部分为与回形纳米线同心的圆形，柄状区域为引出的两个电极。在此之中，Au反射镜的制备和NbN薄膜生长前平坦衬底的获得是关键步骤。
图2 器件加工工艺流程图
Au反射镜图案的设计需要考虑3个方面。第一，芯片电极与外部引脚电连接时的打线力度不易控制，如果打穿SiO₂层将会使纳米线被下方Au膜短路，因而电极处不能有Au覆盖；第二，在最后一步刻穿硅片获得芯片时，Au是刻蚀阻挡层，因而芯片外轮廓处不能有Au覆盖；第三，为了达到入射光在谐振腔中不断反射再被纳米线吸收的效果，Au应位于纳米线正下方且面积不宜过小。在加工制备时，为了增大Au与上方SiO₂、下方Si的粘附性，在Au膜生长前后，分别原位生长5 nm的Ti薄膜。因此最终得到的金属镜为直径200 μm，厚度75 nm的饼状图形。
图3（a）、（b）是器件光敏区的扫描电子显微镜（SEM）图和高倍率下的纳米线细节图，可以看到刻蚀后的纳米线条平直度较好，这与EBL曝光时电子更容易导出有关。图3（c）是器件截面的透射电子显微镜（TEM）图，其中Au上方SiO₂厚度为204 nm，与设计值210 nm有少量出入。这与测量时椭偏仪的拟合误差有关，将会对1310 nm处器件的吸收效率带来一定影响。
图3 （a）器件光敏面SEM图；（b）高度放大的NbN纳米线SEM图；（c）器件横截面TEM图
器件封装
探测器光封装模块和电封装模块可拆分是采用自对准封装的SNSPD可以实现批量化对光的原因。采用印刷线路板（PCB）作为基座以及电路连接模块，通过引线键合的方式与芯片柄状部分的电极连接，完成器件端的电封装。光封装采用光纤插芯、光纤套管、芯片圆形轮廓三者尺寸上的过盈配合而无需外接对准光源即可完成光纤出射光和芯片光敏面的对准，PCB板和光纤套管之间通过低温胶固定。并且光纤插芯与光纤套管由同一材料（氧化锆）制成，具有相同的热膨胀系数，其在超导态所需的低温下也能保证较高的准确度。为了进一步提高探测器的光耦合效率，选取模场直径6 μm的HI 1060 FLEX光纤来匹配12 μm的小尺寸光敏面，较细的纤芯也同时使探测器中与黑体辐射有关的暗计数得到降低。
图4展示了未安装光纤的自对准SNSPD器件。工作时，将探测器固定在16通道集成冷盘上并安置在基于GM制冷机工作的恒温器的4 K冷区中，最低工作温度为2.2 K。电信号通过PCB板上焊接的SMP电连接器连接至低温系统同轴线，再与外部读出电路连接。器件直流偏置依靠与恒压源串联的100 kΩ电阻提供。电脉冲信号由50 dB增益的放大器放大后，再由示波器/计数器完成信号采集。光信号由超连续激光器发射，经过滤波器和光衰减器后接入光功率计，使特定波长的入射光达到单光子水平。随后接入偏振控制器调节入射光偏振态，最后与探测器芯片上方的小芯径光纤相连即可连通光路。
图4 封装好的探测器芯片放置在恒温器的4 K冷台上
器件性能测试及结果分析
图5所示为2.2 K温度下，器件在0.1 MHz入射光，1310 nm和1550 nm波长下的系统探测效率（SDE）和暗计数率（DCR）的测试结果。其中，实心曲线对应左轴SDE，空心曲线对应右轴DCR。在纳米线达到饱和的本征效率时，1310 nm波长下SDE为82%，1550 nm波长下SDE为70%，DCR为70 cps。实验中所测得的器件系统探测效率略低于仿真值，这是受由SiO₂介质层厚度和材料折射率差异造成的光吸收偏移，以及由光纤头/套管/芯片外轮廓三者的同心度偏差造成的光耦合损失等多个因素共同影响。本工作还对器件的入射光子响应波段进行表征，测试结果如图5（b）所示，各个波长下的SDE均为器件在22 μA偏置电流、2.2 K工作温度下的测量值。可以看到器件在1064-1600 nm波段的SDE均达到60%以上，显示其拥有较好的宽谱响应特性。在后续实验中，将继续优化微纳加工工艺和机械加工精度，进一步提高小光敏面器件在较宽波段下的探测效率。
图5 （a）器件探测效率和暗计数率随偏置电流的变化曲线；（b）器件在入射光1064-1600 nm波段的探测效率
图6反映出该探测器的响应速度情况。其中图6（a）红色曲线为器件经50 dB放大后的脉冲响应波形。取信号下降至脉冲幅值的1/e时对应的横坐标间隔为器件恢复时间，约为12.6 ns。图6（b）红色曲线为探测器的计数率曲线，随着光强的增大器件的探测效率不断降低，效率降至最大值的50%时器件的计数率约为40 MHz@3 dB。
图6 （a）12 μm光敏面器件和23 μm光敏面器件响应波形和恢复时间；（b）12 μm光敏面器件和23 μm光敏面器件归一化探测效率随入射光子数的变化曲线
图7反映出该探测器的时间抖动情况。利用时间相关单光子计数（TCPSC）系统和飞秒激光器，测得探测器脉冲到达时间的高斯统计图，取其半高全宽为探测器的时间抖动。图7中红色曲线展示了2.2 K温度下，通过室温放大器放大输出信号时器件的抖动值。当偏置电流处于饱和工作点22 μA时，12 μm光敏面器件的时间抖动约为38 ps。该抖动包含了电路噪声以及放大器本身所带来的时间抖动分量。为了进一步降低器件抖动值，可以利用低温放大器替代室温放大器来降低读出噪声。将探测器置于0.86 K的温度下并通过低温放大器放大输出信号，如图7黑色曲线所示器件在偏置电流为28 μA时的时间抖动值降至22 ps。
图7 采用室温放大器放大输出信号时23 μm光敏面器件（蓝）、12 μm光敏面器件（红）的时间抖动与采用低温放大器放大输出信号时12 μm光敏面器件（黑）的时间抖动
作为对比，本文同时测试了2.2 K工作温度下，23 μm光敏面双层SNSPD器件的响应速度及时间抖动。由图6（a），（b）、图7蓝色曲线可以看出，相较于23 μm光敏面器件42 ns的恢复时间、20 MHz@3 dB的计数率、66 ps的时间抖动，本文制备的小光敏面器件的响应速度和时间抖动特性均有显著提升。
结论
本文基于现阶段量子通信和量子计算领域对高效率、低抖动、高速度的实用化单光子探测器的需求，设计了一种批量封装的自对准SNSPD，并同时进行了工艺加工和封装结构上的优化。所制备器件的性能表征显示，在2.2 K的温度下，在光通信常用的1310 nm以及1550 nm波长处器件分别有着82%和70%的系统探测效率，并且在1200-1600 nm波长范围内，系统探测效率均大于65%。器件恢复时间为12.6 ns，计数率达到40 MHz@3 dB。最优时间抖动仅为22 ps。后续将该探测器与优化的读出电路相配合，有望达到更加优异的综合性能，进一步扩宽应用场景。
这项研究获得国家自然科学基金（61971408、61827823、12033007）、上海市青年科技启明星项目（20QA1410900）和中国科学院青年创新促进会项目（2020241）的资助和支持。