СВЕРХБЫСТРЫЙ И СВЕРХЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ГИБРИДНЫЙ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЙ НАНОВОЛНОВОДНЫЙ ОДНОФОТОННЫЙ ДЕТЕКТОР С НИЗКОЙ СКОРОСТЬЮ ТЕМНОВОГО СЧЁТА
ULTRAFAST AND ULTRASENSITIVE HYBRID SUPERCONDUCTING WAVEGUIDE SINGLE-PHOTON DETECTOR WITH LOW DARK COUNT RATE

Изобретение относится к устройствам для регистрации одиночных фотонов видимого и инфракрасного диапазонов и может быть использовано в системах оптической волоконной связи на больших расстояниях, в телекоммуникационных технологиях, в системах интегральной оптики и нанофотоники, в системах защиты передаваемой информации с помощью систем квантовой криптографии, в диагностике и тестировании больших интегральных схем (БИС) в электронике, в спектроскопии одиночных молекул, в анализе излучения квантовых точек в полупроводниковых наноструктурах, в астрономии, медицине, в разработке квантовых компьютеров и в IT-сфере оптических процессоров.
Патентный поиск проводился по ключевым словам и рубрикам МПК по странам: США, Россия, Япония, Европейское Сообщество. При проведении патентного поиска использовались Web-сайты стран поиска и патентный фонд Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.
Из открытых источников был найден Патент US 6218657 (опубликован 17.04.2001, G01J 1/46), который предлагает использовать лавинный фотодиод в затворном режиме для обнаружения оптического пульса, содержащего небольшое количество фотонов, как часть квантово-криптографической системы.
Параметры полупроводниковых лавинных фотодиодов не позволяют достичь предельно низких значений ошибок квантово-криптографических систем в отличие от предлагаемых систем на основе сверхпроводниковых однофотонных детекторов SSPD.
Патент US 7616904 В1 (опубликован 28.07.2011, G01J 1/36, G02B 6/10). Германий в кремниевом волноводе, расположенном на кремний/изолятор подложке. Фотодетектор встроен в кремний планарного волновода на подложке. Фотодетектор генерирует электрический ток при прохождении инфракрасного излучения сигнала через фотодетектор.
Реализация подобной схемы сопряжена с принципиальными технологическими трудностями, не позволяющими достичь приемлемых показателей по квантовой эффективности, быстродействию и скорости темнового счета.
Патент WO 2014026724 А1 (опубликован 20.02.2014; G01J 1/36, G02B 6/10) - спектрометр с однофотонным сверхпроводниковым детектором на одном чипе. Изобретение описывает интегрированное гибрид нанофотонно-сверхпроводникового устройства, которое работает как сканирующий спектрометр с однофотонным разрешением и пикосекундным временным разрешением. Устройство реализовано на одном чипе и оптически соединено с помощью оптических волокон, таким образом совместимо с системой оптического изображения через согласующие оптоволоконные порты.
Наиболее близкий аналог описан в патенте US 20140299751 А1 (09.10.2014, G02B 6/02, G01J 1/04, G02B 6/12) - однофотонный сверхпроводниковый детектор на диэлектрическом волноводе. Изобретение описывает интегрированное гибрид нанофотонно-сверхпроводникового устройства, которое работает как счетчик одиночных фотонов телекоммуникационной длины волны, распространяющихся внутри диэлектрического волновода.
2
3
4
Ближайший аналог изобретения включает в себя подложку из кремния с подслоем SiO, нановолновод SiN (см. фиг. 1). Два нанопровода расположены параллельно друг другу вдоль нановолновода прямо на нем. Нанопровод представляет собой фоточувствительную полоску шириной 100 нм, изготовленную из сверхпроводниковой пленки NbN толщиной 4 нм. Для снятия сигнала к нанопроводам подводятся золотые контактные площадки (см. фиг. 2).
В рабочем режиме детектор имеет температуру ниже температуры сверхпроводящего перехода (например, температура жидкого гелия 4,2 K).
При поглощении сверхпроводником фотона происходит разрушение куперовской пары. Сверхпроводимость на короткое время подавляется в малой по сравнению с шириной части полоски, и образуется «горячее пятно». В этой области появляется сопротивление, величина которого соответствует сопротивлению пленки, из которой выполнена полоска, в нормальном состоянии. Если в это время через полоску пропущен ток, близкий к критическому току распаривания, то происходит его перераспределение по оставшейся в сверхпроводящем состоянии части пленки, и величина плотности тока в сверхпроводящей области начинает превышать критическую. В результате все сечение полоски переходит в нормальное состояние, и в детекторе появляется электрическое сопротивление, которое сопровождается импульсом напряжения.
Так же, как в ближайшем аналоге, для получения высокой чувствительности в видимом и инфракрасном диапазонах волн чувствительный элемент представляет собой полоску из тонкой пленки сверхпроводника NbN, идущего вдоль нановолновода туда и обратно. Толщина пленки полоски выполнена порядка длины когерентности, а ширина полоски - меньше глубины проникновения магнитного поля.
При указанном размере полоски величина критического тока Ic составляет около 20 мкА при температуре 4.2 К. Величина транспортного тока составляет 0.8-0.9 от Ic.
Основным недостатком ближайшего аналога изобретения является то, что, благодаря используемой в изобретении топологии, детектор обладает высокой скоростью темнового счета. Высокая скорость темнового счета появляется в результате следующего:
1. Собственные шумы детектора - ложные срабатывания, которые объясняются самим принципом работы детектора.
2. Внутренние шумы электронной аппаратуры.
3. Темновые срабатывания могут происходить из-за фонового излучения от нагретых внутренних частей криогенного резервуара, попадающего непосредственно на детектор, минуя нановолновод.
Основной вклад в скорость темнового счета вносит фоновое излучение, поэтому решаемой задачей изобретения является защита чувствительной части сверхпроводникового однофотонного детектора от фонового излучения нагретых внутренних частей криогенного резервуара.
Техническим результатом является:
- уменьшение темновых (ложных) срабатываний сверхпроводникового однофотонного волноводного детектора;
- увеличение чувствительности сверхпроводникового однофотонного волноводного детектора.
2
Новым в разработанном способе является то, что для уменьшения темновых срабатываний используется защитное диэлектрико-металлическое покрытие (фиг. 3) сверхпроводникового однофотонного волноводного детектора. В качестве основных материалов диэлектрико-металлическое покрытие использует диэлектрик SiO и металл Al.