Оглавление
Список сокращений и условных обозначений 5
Введение 9
Глава 1. Обзор литературы. Механизм работы однофотонного сверхпроводникового детектора (ввРБ) 22
1.1 Однофотонные детекторы видимого и ИК диапазонов ... 23
1.2 Процессы образования неоднородных резистивных состояний
в сверхпроводящих пленках ............................... 29
1.3 Механизм работы однофотонного сверхпроводникового детектора ...................................................... 33
1.4 Форма и длительность импульса............................ 39
Глава 2. Методы отбора образцов и методики экспериментов по исследованию характеристик однофотонного сверхпроводникового детектора. 47
2.1 Методика отбора образцов ................................ 48
2.2 Учет влияния ”повторных” импульсов на величину квантовой эффективности ............................................ 54
2.3 Экспериментальная установка и методика эксперимента по исследованию зависимости квантовой эффективности и скорости темповых срабатываний при температурах 4.2, 3.2 и 2
К от тока смещения....................................... 60
2.4 Методика исследования джиттера ЗЗРЭ по схеме совпадений
(старт-стоп система)..................................... 62
2.5 Выводы
70
Глава 3. Квантовая эффективность, скорость темнового счета и эквивалентная мощность шума БЭРИ при рабочих темпе-
ратурах 2 - 4.2К 72
3.1 Зависимость квантовой эффективности БЭРР от транспортного тока при температурах 4.2, 3.2 и 2 К ..................... 73
3.2 Зависимость скорости темповых срабатываний от транспортного тока при разных рабочих температурах...................... 79
3.3 Эквивалентная мощность шума 88РЭ при рабочей температуре 2К........................................................ 81
3.4 Выводы.................................................... 85
Глава 4. Исследование временных параметров и способы увеличения быстродействия однофотонного сверхпроводнико-
вого детектора 87
4.1 Исследование джиттера ЭБРО но схеме совпадений (старт-
стоп система)............................................. 88
4.2 Способы увеличения быстродействия однофотонного сверх-
проводпикового детектора ................................ 92
4.3 Ультрабыстрый однофотонный сверхпроводниковый детектор .......................................................... 104
4.4 Выводы....................................................108
Глава 5. Применение однофотонных сверхпроводниковых детекторов в квантовой оптике и биофотонных исследованиях 109
5.1 Литературный обзор применений однофотонных сверхпроводниковых детекторов И К диапазона .....................110
5.2 Экспериментальная демонстрация преимуществ применения SSPD в оптической когерентной томографии (ОКТ) .... 113
5.3 Экспериментальная демонстрация применения SSPDs в квантовой оптической когерентной томографии (KOKT) . . 120
5.4 Анализ перспектив применения однофотонных сверхнровод-никовых детекторов излучения в биофотонных исследованиях ........................................................ 126
5.5 Выводы................................................. 130
Заключение 132
Список публикаций автора 136
Литература 148
4
Список сокращений и условных обозначений
ИК — инфракрасный
ЛФД (APD) — лавинный фотодиод
ФЭУ (РМТ) — фотоэлектронный умножитель
NbN — нитрид ниобия
TES — Transition Edge Sensor (детектор, работающий на сверхпроводящем переходе)
SSPD — сверхпроводниковый однофотонный детектор
ЦПФ (PSC) — центр проскальзывания фазы
МЕР — эквивалентная мощность шума (Noise Equivalent Power)
FW HM — ширина на половине высоты (Full Width at Half Maximum) MKA — многоканальный анализатор ВАП — время-амплитудный преобразователь ОКТ — оптическая когерентная томография KOKT — квантовая оптическая когерентная томография PICA — Picosecond Imaging Circuit Analysis (метод бесконтактного неразрушающего тестирования микросхем путем получения изображения с пикосекудным временным разрешением)
МОП — комплементарная структура металл-оксид-полупроводник p-МОП (p-MOS) — структура металл-оксид-полупроводник с полупроводником р-типа
НОМ — интерферометр Хонг-Оу-Манделя (Hong-Ou-Mandel)
GFP — зеленый флюоресцирующий протеин (Green Fluorescent Protein)
5
сг — коэффициент вторичной эмиссии динода фотоэлектронного умножителя
— плотность тока термоэмиссии фотокатода к — постоянная Больцмана
Ед — энергия запрещенной зоны полупроводника Тс — критическая температура
АТС — ширина перехода из сверхпроводящего состояния в нормальное
г/ — квантовая эффективность
Ь'г — длина теплового восстановления
X — коэффициент теплопроводности пленки
к — коэффициент теплоотвода с единицы поверхности
сI — толщина пленки
Д — транспортный ток
/с — критический ток
а — параметр Стекли
р — плотность материала в нормальном состоянии 2с — плотность критического тока Т0 — температура термостата £ — длина когерентности
Л — характеристическая длина затухания избыточного заряда тс} — время релаксации избыточного заряда Фо — квант магнитного потока к, к — постоянная Планка е — заряд электрона
Лт — глубина проникновения поперечного магнитного поля Ткт ~ температура переходя Костерлиц-Таулесса Д — энергетическая щель
б
Ни — энергия фотона
Ся — концентрация квазичастиц
Со — равновесная концентрация квазичастиц
те — время релаксации энергии электронов
Te.ph — время электрон-фононного взаимодействия
Tcs ~ время ухода фононов в подложку
се — электронная теплоемкость
Cph ~~ фононная теплоемкость
D — коэффициент диффузии
К — квантовый выход
г — расстояние от места, где был поглощен фотон t — время
Lth ~ длина термализации rth ~~ время термализации
Le — глубина проникновения электрического поля dhs — диаметр нормального домена (“горячего пятна”) w — ширина сверхпроводящей полоски I — длина сверхпроводящей полоски \i — глубина проникновения магнитного ноля Lk — кинетическая индуктивность
Lsk — кинетическая индуктивность в расчете на квадрат пленки Rn — электрическое сопротивление сверхпроводниковой полоски, после образования резистивного домена Irei — ток возврата
Тпве ~ время нарастания переднего фронта импульса
тfan — время спада импульса
Тс — температура электронной подсистемы
7
Ce — электронная теплоемкость на единицу длины к — одномерная теплопроводность пленки
G — одномерная теплопроводность между пленкой и подложкой е — напряженность электрического ПОЛЯ Is — сверхток
рп — удельное сопротивление на единицу длины
tj — время джоулева нагрева
А — длина волны излучения
Nc — число фотоотсчетов детектора
N^c — число фотонов, попавших на детектор
Р “ мощность излучения
Rdk ~~ скорость тем нового счета
I/ — частота фотона
д2(т) — корреляционная функция второго порядка N — число параллельных секций
Ll°r — кинетическая индуктивность детектора, состоящего из параллельно соединенных секций
Е — электродвижущая сила q — электрический заряд С — емкость конденсатора 1е — длина когерентности источника излучения Д// — спектральная ширина источника света
ДА -- спектральная ширина источника света в единицах длин волн и;р — частота накачки Ар — длина волны накачки
8
Введение
В настоящее время приборы ИК диапазона широко применятся в научных исследованиях, промышленности, военном деле. Можно привести множество примеров практического использования этих приборов: дистанционное измерение температур и теплового излучения различных тел, химический анализ веществ по спектрам их поглощения и излучения в ИК области спектра, инфракрасные астрономические исследования, тепловидение, обнаружение морских, наземных, воздушных объектов, тестирование микросхем, квантовая криптография, квантовые компьютеры.
Значение ИК техники возросло в связи с освоением космического пространства. ИК радиометры и спектрометры различных типов, установленные на космических аппаратах, успешно используются для дистанционного изучения земных и водных ресурсов, исследования метеорологических процессов, а также изучения планет Солнечной системы.
Для многих применений требуются ИК приемники с чувствительностью, позволяющей регистрировать одиночные кванты света. Одним из таких применений, требующих использования детекторов, обладающих однофотонной чувствительностью, является тепловая томография микросистем, которую, в силу слабой интенсивности теплового излучения микроструктур, проблематично проводить с помощью других приёмников излучения. Так, при работе микропроцессоров и других интегральных микросхем, в момент переключения отдельной МОП структуры, из каждого канала пары транзисторов происходит излучение инфракрасных световых квантов, позволяющее регистрировать последовательность работы элсмен-
9
тов схемы и проводить, таким образом, ее диагностику [1. 2). Усилия разработчиков направлены на увеличение скорости срабатывания ключевых элементов и снижение энергетических затрат при переключении. Используя в тестерах микросхем уже известные однофотонные детекторы, приходится значительно увеличивать время наблюдения, что в сочетании со всё возрастающим числом элементов интегральных схем сильно увеличивает общее время тестирования и не позволяет проводить этим методом контроль качества микропроцессоров в процессе производства.
Приемники на базе фотоумножителей и полупроводниковых лавинных диодов могут работать в однофотонном режиме в видимом и ближнем ИК диапазоне. Работа этих приборов основана на использовании каскадного размножения электронов, позволяющего зарегистрировать электрический импульс. К сожалению, такая схема регистрации приводит к относительно большой инерционности прибора и ограничивает их использование временами более 1 НС.
В последние годы всё чаще прогресс телекоммуникационных и информационных систем связывают с появлением квантовой криптографии и обработкой информации квантовыми системами (квантовые компьютеры). В связи с этим возрос интерес к особому классу оптоэлектрических приборов - однофотонных детекторов оптического излучения, позволяющих с высоким быстродействием регистрировать одиночные кванты света. Квантовые оптические технологии, на которых основаны применения в квантовой криптографии разработаны для работы на телекоммуникационных длинах волн, т.е. в ближнем ИК диапазоне. Использование сверхчувствительных однофотонных детекторов в оптических телекоммуникационных системах дает возможность регистрации сигнала без использования дорогостоящих оптических усилителей, что особо важно для протяженных трансконти-
10
ментальных волоконно-оптических линий связи. Кроме того, это открывает уникальные возможности для защиты передаваемой информации путем создания квантово-криптографических систем.
Детекторы, обладающие высокой чувствительностью в ИК диапазоне, низким уровнем темпового счета и малым джиттером позволят улучшить временное разрешение при измерениях времени когерентности спонтанного излучения и корреляционной функции источников, что приведет к продвижению исследований однофотонных источников излучения, спонтанного параметрического рассеяния и его применений.
Применения в квантовой метрологии, такие, например, как оптическая и квантовая оптическая когерентная томография |3, 4] требуют быстрых детекторов, обладающих высокой чувствительностью в широком спектральном диапазоне от видимого до ИК. Оптическая когерентная томография является альтернативой хирургической биопсии. Данный метод исследований позволяет обнаружить аномалии в распределении плотности биологической ткани и дает микронное разрешение. Пространственное разрешение зависит от длины когерентности источника излучения, используемого в оптической томографии, а значит от ширины спектра. Время сканирования ткани будет зависеть от быстродействия детектора, его чувствительности и скорости ложных срабатываний. К сожалению, традиционно использующиеся однофотонные детекторы, такие как лавинные фотодиоды и фотоэлектронные умножители, не обладают достаточно широкой спектральной чувствительностью и быстродействием.
Исследования проведенные за последние несколько лет [5, 6] показали перспективность разработки одиофотонных детекторов на основе тонкопленочных сверхпроводников. Детекторы, на основе тонкой пленки 1\ТЬМ, обладают квантовой эффективностью до 10% на длине волны 1.3 мкм и
11
до 6% на длине волны 1.55 мкм. Эквивалентная мощность шума детекторов составляет 6 • 10”18 Вт/Гц1'2 и 2 • 10'"17 Вт/Гц1/2 на длинах волн 1.3 и 1.55 мкм, соответственно. Квантовая эффективность недостаточно высока в ИК диапазоне. Данные детекторы имеют длительность импульса порядка 10 не, что ограничивает их максимальную скорость счета фотонов.
Проанализировав параметры детекторов, необходимых для различных применений и характеристики существующих однофотоиных детекторов, приходим к выводу, что разработка и оптимизация характеристик быстродействующего, однофотоиного сверхпроводникового детектора, работающего в широком спектральном диапазоне и обладающего низким уровнем темпового счета, является, несомненно, актуальной задачей.
Целью диссертационной работы являлось исследование характеристик однофотонных сверхпроводииковых детекторов, созданных на базе тонких пленок КЬЫ, увеличение быстродействия детектора и исследование возможностей практического применения однофотонных сверхпроводнико-вых детекторов вместо традиционно используемых полупроводниковых однофотонных детекторов. Это включало в себя исследование влияния физических условий наблюдения - рабочей температуры и тока смещения на квантовую эффективность на различных длинах волн и вероятность ложных срабатываний (в отсутствие падающего излучения), измерение величины эквивалентной мощности шума и нестабильности переднего фронта импульса - джиттера детектора, оптимизацию конфигурации сверхпровод-никовой полоски, являющейся чувствительным элементом детектора, с целью повышения его быстродействия, а также разработку установок для измерения разрешающей способности методов оптической и квантовой оптической когерентной томографии с использованием одиофотонных сверх-проводниковых детекторов излучения.
12
В качестве объекта исследования выбраны сверхпроводниковые полоски нитрида ниобия шириной порядка 100 нм и длиной от 100 до 500 мкм, изготовленные методом электроннолучевой литографии из плёнок 1\ТЬИ толщиной 3.5 нм. Плёнки были нанесены на полированную сапфировую подложку методом магнетронного распыления N6 в газовой смеси N2 и Аг. Для удобства практического применения детектора, сверхпроводни-ковая полоска изготавливалась в виде меандра, покрывающего площадку 10x10 мкм2, что существенно упрощает совмещение детектора со стандартным телекоммуникационным оптическим одномодовым волокном.
Предмет работы включает в себя:
• Разработку и изготовление экспериментальных установок для измерений квантовой эффективности исследуемых образцов в интервале рабочих температур от 2.0 К до 4.2 К в диапазоне длин воли
0.56—1.55 мкм, для измерения скорости темпового счета детектора, а также для измерения джиттера однофотониого сверх проводникового детектора методом совпадений.
• Разработку и изготовление экспериментальных установок для измерения разрешающей способности методов оптической когерентной томографии и квантовой оптической когерентной томографии с использованием однофотониых сверхироводииковых детекторов.
• Измерение квантовой эффективности исследуемых структур в зависимости от рабочего тока, длины волны излучения, и рабочей температуры.
• Измерение зависимости скорости темпового счета от величины рабочего тока и рабочей температуры и вычисление величины эквивалентной мощности шума из измеренных и экстарполированных данных по
- Київ+380960830922