Оптоволоконный сверхпроводниковый однофотонный детектор

Область техники
Полезная модель относится к области однофотонных детекторов и может найти применение при создании систем квантовой криптографии и сетей с квантовым распределением ключей. Также заявленное устройство может найти применение и в иных устройствах регистрации оптического излучения, требующих высокого разрешения и высокой квантовой эффективности.
Предшествующий уровень техники
Устройство относится к сверхпроводниковым однофотонным детекторам (Superconducting Single Photon Detector - SSPD) имеющим структуру меандра (Goltsman G., Okunev О., Chulkova G. et al. // Appl. Phys. Lett. 2001. V. 79.P. 705., а также Gol'tsman G.N., Smirnov K., Kouminov P. et al. // IEEE Trans., Appl.Supercond. 2003. V. 13. P. 192.).
Такие детекторы (US 6812464 В1 Superconducting single photon detector, 2004-11-02) обычно состоят из полупроводниковой подложки (например, Si), покрытой диэлектрическим слоем (например, SiO2), поверх которого напыляется пленка из сверхпроводящего материала (например, NbN) с топологией в виде меандра и проводящие (Au, Nb, Pd) контактные площадки, обеспечивающие подачу тока смещения на детектор и съем сигнала.
Общая эффективность SSPD определяется совокупностью нескольких показателей.
Одним из таких важных показателей является квантовая эффективность, а другим точность совмещения оптического пучка с зоной регистрации SSPD, которая обладает малыми размерами и реализация эффективного охлаждения без потери функциональных возможностей.
Небольшая квантовая эффективность SSPD, то есть отношение количества детектированных фотонов к общему числу фотонов, падающих на детектор ограничена несколькими факторами. Во-первых, это коэффициент заполнения k=a/b, где a - ширина сверхпроводящей полоски, b - период структуры. Эта величина характеризует область поглощения падающего излучения. Предел фактора заполнения для простого одиночного меандра, известный авторам составляет 75% (RU 2300825 С1 Быстродействующий сверхпроводниковый однофотонный детектор, 2007-10-06).
Вторым фактором, влияющим на эффективность сверхпроводящего детектора, является поглощение падающего излучения веществом детектора NbN. Так, для толщины 4 нм оптическая абсорбция достигает около 30% на длине волны 1,55 мкм. Эффективность детектирования на такой толщине и длине волны (для коэффициента заполнения 75%), в теории, не может превысить 20-25%) из-за малой толщины слоя NbN при нормальном падении излучения. Ввиду невозможности реализации оптимального фактора заполнения (близкого к единице) для эффективного поглощения падающего излучения веществом детектора был предложен метод увеличения абсорбции света путем создания резонаторных структур с использованием отражающего металлического слоя и диэлектрического покрытия толщиной в четверть длины волны. Четвертьволновый резонатор располагался на поверхности светочувствительного элемента. Свет, падающий на вещество детектора со стороны подложки и не поглотившийся им, проходит через слой диэлектрика, отражается от металлического слоя с изменением фазы на пи и складывается в противофазе со светом, отраженным от границы диэлектрик-сверхпроводящая пленка.
Другим возможным подходом является комбинирование нескольких слоев NbN для достижения фактора заполнения, близкого к единице (US 9240539 В2 Efficient Polarization Independent Single Photon Detector, 2016-01-19 и US 9490112 B2 System and method for characterizing ions using a superconducting transmission line detector, 2016-11-08) и расположение их один над другим, причем так, что эти меандры будут перпендикулярны друг другу. Это позволяет достигать квантовой эффективности порядка 85%. В то же время, такие решения (в частности US 9240539 В2 Efficient Polarization Independent Single Photon Detector, 2016-01-19) имеют неэффективную компоновку, когда четвертьволновой резонатор SiO2 расположен после обоих слоев меандров, что увеличивает габариты, повышает общую хрупкость и очень существенно затрудняет установку детектора на базу стандартной FC-оптической розетки.
Основная же трудность при точном совмещении состоит в обеспечении одновременно широких возможностей (в том числе измерения поляризации фотонов) с конструктивной простотой и трудности охлаждения. Так, известно решение (US 2014353476 Al Fiber optical superconducting nanowire single photon detector, 2014-12-04) для детектирования одиночных фотонов, сущность которого заключается в создании SSPD детектора непосредственно на конце волокна. Весь процесс изготовления происходит на верхней грани оксидно-циркониевого наконечника ферулы, из стандартного полированного разъема волокна (оптическая FC-розетка), содержащего одномодовое волокно. Недостатками такого решения являются технологическая сложность изготовления и эксплуатации, невозможность определения поляризации оптического излучения.
Еще одной немаловажной проблемой при создании фотонных детекторов является их эффективное охлаждение. Так, при нагревании элементов детектора возникает паразитное тепловое излучение и соответствующие шумы детектора, которые существенно снижают общую эффективность. В упомянутом выше техническом решении (US 2014353476 A1) эффективность охлаждения является еще одним слабым местом.
По совокупности общих признаков за прототип выбрано решение для детектирования одиночных фотонов (US 2014353476 A1 Fiber optical superconducting nanowire single photon detector, 2014-12-04).
Сущность полезной модели
Задачей настоящей полезной модели являлось создание высокоэффективного SSPD без усложнения его конструкции и без потери функциональных возможностей.
Технический результат заключается в повышении общей эффективности SSPD без усложнения его конструкции.
Задача решается за счет решения не тривиальной проблемы объединения самых последних достижений в данной области и устранение их общих недостатков.
Согласно настоящей полезной модели, сверхпроводниковый однофотонный детектор представляет собой оптический модуль на базе стандартной оптической розетки FC и включает криогенный предусилитель и сменный модуль с отрезком оптической ферулы с одномодовым волокном. На боковых поверхностях модуля сформированы золотые контактные площадки, а на коре оптического волокна сформированы чувствительные слои из сверхпроводника в виде меандровой структуры, причем меандровая структура представляет собой два меандра, ориентированных ортогонально друг другу и разделенных слоем диэлектрика толщиной, равной четверти длины волны.
Краткое описание чертежей
Заявленная полезная модель поясняется чертежами, на которых:
Фиг. 1 - изображение меандровой структуры.
Фиг. 2 - общий вид детектора.
Фиг. 3 - вид детектора со стороны волокна.
Фиг. 4 - вид детектора в профиль. Подробное описание полезной модели.
На Фиг. 1 схематично изображена меандровая струкутра однофотонного сверхпроводникового детектора, в котором чувствительный элемент располагается одновременно в двух и более разнесенных в пространстве плоскостях, разделенных слоем диэлектрика.
Здесь цифрами обозначены 1 и 3 - соответствующие чувствительные слои, выполненные, например, из NbN в форме меандров, 2 - промежуточный слой диэлектрика, например, Si02.
Меандры 1 и 3 повернуты перпендикулярно друг относительно друга, что существенно повышает фактор заполнения и, как следствие общую эффективность детектора.
Слой 2 диэлектрика имеет толщину равную четверти длины волны и выступает в качестве четвертьволновой пластины резонатора с отражающими поверхностями, одна из которых - граница верхнего меандра и оксида кремния (SiO2), а вторая - граница раздела оксида кремния и нижнего меандра. Это еще более повышает эффективность детектирования. При этом, ввиду того, что пластина 2 располагается между чувствительными слоями 1 и 3, не происходит увеличения размеров всего модуля и повышается эффективность использования доступного пространства. Это позволяет реализовать детектор на базе стандартной оптической розетки FC.
Такой чувствительный модуль работает следующим образом. Оптическое излучение источника попадает на меандровую структуру первого слоя. Результат поглощения оптического излучения регистрируется верхним слоем сверхпроводящего однофотонного детектора. Если поглощения излучения в структуре первого слоя не произошло, фотон проходит диэлектрический слой и попадает на второй слой детектора, где может быть поглощен, проникнуть дальше, либо отразиться в направлении первого детектора и т.д.
Чувствительные элементы из NbN предпочтительно имеют толщину порядка 3,5-5 нм.
На Фиг. 2 изображает детектор на базе оптической розетки FC в сборе. Детектор содержит приемный модуль 6 на базе розетки FC с закрепленным на нем криогенным предусилителем 5 со вставленным сменным оптически сопряженным модулем сверхпроводящего детектора 4, состоящего из полированного с двух торцевых сторон отрезка цилиндрической оптической ферулы 7 с вклеенным одномодовым волокном 8, на кор 9 которого напыляются пленки нитрида ниобия (NbN) с топологией в виде меандров 10 и золотые (Аu) контактные площадки 11, обеспечивающие подачу тока смещения на детектор и съем ВЧ сигнала. При этом дополнительно имеется оптический четвертьволновой резонатор, полостью которого является слой оксида кремния (SiO2) соответствующей толщины, а отражающие поверхности: одна - внешняя поверхность оксида кремния (SiO2), вторая - граница раздела оксида кремния (SiO2) и нитрида ниобия (NbN), который был подробно описан выше со ссылкой на Фиг. 1.
Так как чувствительный элемент представляет из себя структуру с сформированными меандрами 10, ориентированными ортогонально на противоположных торцах оптического модуля 4, каждый из меандров 10 представляет собой структуру чувствительную к ориентации плоскости поляризации оптического излучения. Экспериментально показано, что оптическое излучение, вектор электрического поля которого направлен вдоль полос меандра, поглощается таким чувствительным элементом с вероятностью в 10 раз более высокой, чем чувствительным элементом, у которого направление полос меандра перпендикулярно направлению вектора электрического поля. Если вектор электрического поля направлен под углом ϕ к направлению полос меандра 10, то сигнал, регистрируемый этим меандром будет пропорционален cosϕ. А сигнал, регистрируемый этим вторым меандром будет пропорционален sinϕ.Таким образом, ориентацию плоскости поляризации регистрируемого оптического излучения относительно направления полос меандра можно определить из соотношения сигналов, регистрируемых чувствительными элементами 10, сформированными на противоположных торцах оптического модуля 4.
На цилиндрической поверхности оптического модуля 4 делаются плоские грани, на которые наносятся золотые контакты 11 для вывода сигнала, что позволит обеспечить дополнительную защиту рабочей поверхности детектора от механических повреждений при транспортировке и установке детекторов в приемный модуль 6, используя защитные колпачки.
Модуль работает следующим образом. Оптическое излучение источника проходит по волокну и в оптической розетке 6 попадает в оптический модуль регистрации 4 по кору 9 световода 8 и далее на меандровую структуру 10.