СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЙ ОДНОФОТОННЫЙ ДЕТЕКТОР С УПРАВЛЯЕМЫМ ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ
SUPERCONDUCTING SINGLE-PHOTON DETECTOR HAVING CONTROLLED MEMORY EFFECT

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для регистрации отдельных фотонов видимого и инфракрасного диапазонов и может быть использовано в системах оптической волоконной связи на больших расстояниях, телекоммуникационных технологиях, в системах интегральной оптики и нанофотоники, в системах защиты передаваемой информации с помощью систем квантовой криптографии, диагностике и тестировании больших интегральных схем (БИС) в электронике, в спектроскопии одиночных молекул, анализе излучения квантовых точек в полупроводниковых наноструктурах, астрономии и медицине.
Из уровня техники известен быстродействующий сверхпроводниковый однофотонный детектор с полосковыми резисторами (см. RU 2327253, кл. H01L 39/16, публ. 20.06.2008 г.).
Известный сверхпроводниковый однофотонный детектор содержит подложку, контактные площадки, размещенные на ней, полоску, выполненную из пленки сверхпроводника, толщина которой порядка длины когерентности, а ширина меньше глубины проникновения магнитного поля, расположенную на подложке между контактными площадками.
Недостатком известного сверхпроводникового однофотонного детектора является заметная величина кинетической индуктивности, ограничивающая быстродействие детектора.
Из уровня техники известен сверхпроводниковый однофотонный детектор с антиотражающим покрытием (см. US 6812464, кл. H01L 39/00, публ. 02.11.2004 г.).
Известный детектор содержит подложку, контактные площадки, размещенные на подложки, полоску, выполненную в форме меандра из сверхпроводника, расположенную на подложке между контактными площадками и концы которой подсоединены к контактным площадкам.
Преимуществом данного устройства является то, что квантовый детектор обеспечивает достаточный сигнал при поглощении одного фотона.
В известном устройстве применяется зеркало, а кванты излучения могут регистрироваться только после прохождения излучения через подложку. Чувствительный элемент в известном устройстве представляет собой узкую полоску длиной 500 мкм из тонкой пленки сверхпроводника, изогнутой в форме меандра и заполняющей прямоугольную площадку. Толщина пленки выбрана порядка длины когерентности, а ширина полоски - меньше глубины проникновения магнитного поля. Использование полоски, выполненной в форме меандра из сверхпроводника, позволяет увеличить чувствительность устройства. В альтернативном варианте исполнения устройства использована прямолинейная полоска из сверхпроводника, что позволяет повысить быстродействие устройства, но при этом значительно снижается его чувствительность.
В связи с чем недостатком известного устройства можно считать низкие технико-эксплуатационные характеристики.
Наиболее близким аналогом предлагаемого сверхпроводникового однофотонного детектора является сверхпроводниковый однофотонный детектор (см. RU 2346357, кл. H01L 39/02, публ. 10.02.2009 г.).
Известный сверхпроводниковый однофотонный детектор содержит подложку, контактные площадки, размещенные на ней, чувствительный элемент, выполненный в форме меандра из сверхпроводящего материала и расположенный на подложке между контактными площадками, концы которого подсоединены к ним, при этом к упомянутому чувствительному элементу последовательно подключен полосковый резистор, а фактор k заполнения чувствительного элемента составляет более 0,75 и определяется из следующего соотношения:
а
k=/b,
а
где - ширина полоски меандра;
b - период меандра.
Недостатком наиболее близкого аналога является отсутствие возможности бессрочно сохранять информацию о попадании одиночного фотона.
Задачей предлагаемого изобретения является создание сверхпроводникового однофотонного детектора с повышенными технико-эксплуатационными характеристиками.
Техническим результатом предлагаемого сверхпроводникового однофотонного детектора, который объективно проявляется при его использовании, является бессрочное сохранение информации о попадании одиночного фотона в детектор, а также повышение квантовой эффективности детектора.
Указанный технический результат, обеспечивающий решение поставленной перед изобретением задачи, достигается тем, что сверхпроводниковый однофотонный детектор, содержит подложку, контактные площадки, размещенные на ней, чувствительный элемент, выполненный в форме меандра из сверхпроводящего материала, расположенный между контактными площадками, концы которого подсоединены к последним, при этом к упомянутому чувствительному элементу последовательно подключен полосковый резистор, сопротивление которого превышает сопротивление упомянутых контактных площадок, расположенный с зазором относительно подложки, на расстоянии от нее, не превышающем числовое значение, получаемое из следующего выражения:
L=V×(t/2), где
V - скорость распространения сигнала в линии;
t - длительность импульса.
Фактор k заполнения чувствительного элемента может составлять более 0,75 и определяться из следующего соотношения:
а
k=/b, где
а
- ширина полоски меандра;
b - период меандра.
Является предпочтительным, если полосковый резистор выполнен прямолинейным.
По одному из частных вариантов исполнения изобретение полосковый резистор выполнен в виде меандра.
Является целесообразным, если полосковый резистор выполняется из металлической пленки.
Является предпочтительным, если полосковый резистор выполняется из сверхпроводниковой пленки.
Как правило, ширина чувствительного элемента и полоскового резистора выбирается из диапазона 80-120 нм.
По одному из частных вариантов выполнения изобретения контактные площадки изготовлены из нитрида ниобия и покрыты золотом для улучшения электрического контакта.
Чувствительный элемент в форме меандра с указанным фактором k может быть заключен в воображаемый квадрат 7×7 мм, или 10×10 мм, или 20×20 мм.
Используемые в предлагаемом сверхпроводниковом однофотонном детекторе контактные площадки являются высокочастотными линиями съема сигналов, которая также называется копланарной линией (один центральный и два общих боковых проводника). Копланарная линия обладает волновым сопротивлением. Взаимные размеры контактных площадок (ширина и зазоры между ними) подбирается таким образом, чтобы их волновое сопротивление было приблизительно равно 50 Ом. Дополнительно введенный полосковый резистор обладает сопротивлением, значительно превышающим показатель в 50 Ом. Такое сопротивление может быть и иным в зависимости от конфигурации контактных площадок, но существенно именно то, что оно меньше сопротивления полоскового резистора.
Благодаря введенному в электрическую цепь полосковому резистору, сопротивление которого превышает сопротивление контактных площадок однофотонного детектора, и вызванному этим джоулеву нагреву сверхпроводящей полоски, превышающему теплоотвод из нее, электрическое сопротивление полоски не исчезает, а система остается в нормальном состоянии неограниченно долго.
Возвратить детектор обратно в сверхпроводящее состояние возможно посредством перевода специального ключа.
Электрический ток в цепи однофотонного детектора стекает на землю, перестает выделяться джоулево тепло, и вся система возвращается в исходное сверхпроводящее состояние.
Управляемый эффект предлагаемого однофотонного детектора обеспечивается за счет его возвращения в исходное (сверхпроводящее) состояние переводом специального ключа из одного положения в другое.
В предлагаемом изобретении используется технический прием, заключающийся в том, что дополнительно введенный полосковый резистор располагают с зазором относительно подложки, на расстоянии от нее, не превышающим значение, получаемое из выражения: L=V×(t/2). Расположение полоскового резистора на одной подложке с чувствительным элементом, выполненным в виде меандра, приведет к тому, что будет существенно снижена эффективность согласования одномодового волокна с чувствительным элементом, выполненным в виде меандра. В этом случае не будет задействована вся эффективная площадь чувствительного элемента, выполненного в виде меандра при поглощении падающего излучения из одномодового волокна, поскольку часть меандра будет занята полосковым резистором. Кроме того, технологически довольно сложно качественно изготовить и расположить полосковый резистор без зазора по отношению к подложке, в особенности полосковый резистор на основе Au. В данном случае является важным, что придется осаждать на подложку два разных материала непосредственно примыкающих друг к другу, что усиливает вероятность повреждения меандра за счет применения дополнительных технологических операций при изготовлении такой комплексной структуры, и, как следствие, будет существенно снижен объем выхода качественных образцов продукции.
В связи с чем, в предлагаемом детекторе предложен вариант пространственного разделения полоскового резистора и подложки. В этом случае напыление контактов и полоскового резистора может быть проведено в разных технологических процессах с применением оптической литографии при формировании рисунков и с использованием одного и того же элемента Au.
При этом условие L<V×(t/2) означает, что в период срабатывания сверхпроводникового однофотонного детектора при поглощении первого фотона электрический сигнал успеет достичь полоскового резистора и вернуться обратно, чтобы перевести его в нерабочее состояние, тем самым максимально быстро переведя его в управляемый режим. Таким образом, в зависимости от поставленной задачи, с данного момента появляется возможность возвращения детектора в исходное состояние (за счет срабатывания ключа) либо удержания его в нерабочем состоянии неограниченное количество времени.
Предлагаемое изобретение поясняется конкретным примером выполнения, который, однако, не является единственно возможным, но при этом наглядным образом демонстрирует достижение заданной совокупностью существенных признаков указанного технического результата, обеспечивающего поставленную перед изобретением задачу, используя ссылки на прилагаемые фигуры.
На фиг. 1 представлен внешний вид заявленного сверхпроводникового однофотонного детектора;
На фиг. 2 представлена электрическая цепь с включенным в нее заявленным устройством.
На представленных чертежах представлены следующие средства и элементы:
1 - сверхпроводниковый однофотонный детектор;
2 - подложка
3 - контактные площадки
4 - чувствительный элемент, выполненный в форме меандра
5 - полосковый резистор
6 - вольтметр
7 - ключ
8 - источник постоянного тока
Сверхпроводниковый однофотонный детектор поз. 1 содержит подложку поз. 2, контактные площадки поз. 3, размещенные на ней, чувствительный элемент 4, выполненный в форме меандра из сверхпроводящего материала.
Чувствительный элемент 4 расположен между контактными площадками 3 и концы его подсоединены к контактным площадкам 3.
К чувствительному элементу последовательно подключен полосковый резистор 5, сопротивление которого превышает сопротивление контактных площадок 3.
Полосковый резистор 5 расположен с зазором по отношению к подложке, на расстоянии от нее, не превышающем значение, получаемое из следующего выражения:
L=V×(t/2),
где V - скорость распространения сигнала в линии;
t - длительность импульса.
Фактор k заполнения чувствительного элемента 4 составляет более 0,75 и определяется из следующего соотношения:
а
k=/b,
а
где  - ширина полоски чувствительного элемента 4 в форме меандра;
b - период чувствительного элемента 4 в форме меандра.
Полосковый резистор 5 выполнен прямолинейным из сверхпроводниковой пленки.
Ширина чувствительного элемента 4 в форме меандра и полоскового резистора 5 выбрана в диапазоне 80-120 нм.
Работает предлагаемый сверхпроводниковый однофотонный детектор следующим образом (см. фиг. 1 и 2).
В рабочем режиме детектор имеет температуру ниже температуры сверхпроводящего перехода (например, температура жидкого гелия 4,2 К).
При поглощении сверхпроводником фотона происходит разрушение куперовской пары. Сверхпроводимость на короткое время подавляется в малой по сравнению с шириной части полоски чувствительного элемента 4, выполненного в форме меандра, и образуется "горячее пятно". В этой области появляется сопротивление, величина которого соответствует сопротивлению пленки, из которой выполнен чувствительный элемент 4 в нормальном состоянии. Если в это время через чувствительный элемент 4 в форме меандра и дополнительный полосковый резистор 5 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 чувствительного элемента 4, выполненного в форме меандра, переходит в нормальное состояние и в детекторе появляется электрическое сопротивление, которое сопровождается импульсом напряжения.
Благодаря введенному в электрическую цепь полосковому резистору 5, сопротивление которого превышает сопротивление контактных площадок 3, и вызванному этим джоулеву нагреву чувствительного элемента 4, превышающему теплоотвод из него, электрическое сопротивление чувствительного элемента 4 в форме меандра не исчезает, а система остается в нормальном состоянии неограниченно по времени.
Возвращение детектора в исходное (сверхпроводящее) состояние осуществляется переводом ключа 7 из положения а в положение b (фиг. 2). Электрический ток в цепи детектора стекает на землю, перестает выделяться джоулево тепло, и система возвращается в исходное сверхпроводящее состояние.
Предлагается такая конструкция детектора, которая позволяет переводить его в нерабочее состояние (чувствительный элемент 4 переводится в нормальное состояние - несверхпроводящее), предельно быстро после поглощения сверхпроводниковой структурой первого фотона. После этого детектор перестает поглощать (детектировать) все последующие фотоны ровно до тех пор, пока он не будет переведен в рабочее состояние (сверхпроводниковое).
Управление заключается в выборе такого интервала времени (в зависимости от поставленных задач в эксперименте), в течение которого система остается нечувствительной к вновь пришедшим фотонам. Это время может варьироваться от предельно минимального (ограничено длиной подводящих электрических линий) до неограниченного.
Для получения высокой чувствительности в видимом и инфракрасном диапазонах волн чувствительный элемент 4 представляет собой полоску из тонкой пленки сверхпроводника, изогнутой в форме меандра и заполняющей прямоугольную или квадратную площадку. Толщина пленки полоски чувствительного элемента 4 выполнена порядка длины когерентности, а ширина полоски - меньше глубины проникновения магнитного поля.
Предлагаемое изобретение характеризуется тем, что способно бессрочно сохранять информацию о попадании в него одиночного фотона и при необходимости способно управлять этим "эффектом памяти", кроме того, из-за отсутствия антиотражающего покрытия детектор не обладает ярко выраженной спектральной селективностью, допускает регистрацию фотонов, падающих непосредственно на подложку 2, а не проходящих через нее, что обеспечивает регистрацию падающих на чувствительный элемент 4 фотонов в диапазоне волн от 04-4 мкм.
Предлагаемый детектор обладает эффектом "памяти" с возможностью управления "памятью" при одновременном сохранении высокой чувствительности во всем заявленном диапазоне волн, при выборе фактора k заполнения более 0,75.
Как показали проведенные эксперименты, чувствительность детектора при выборе фактора k заполнения более 0,75 увеличивается в 1,5 раза по сравнению с ближайшим аналогом.
Чувствительный элемент 4 (полоска) в форме меандра изготовлена из пленки NbN толщиной 4 нм. Подложка 2 выполнена сапфира или кремния. Чувствительный элемент 4 (полоска) выполняется шириной 80-120 нм, изогнутой в форме меандра с расстоянием между полосками внутри меандра около 100 нм, например, также в диапазоне 80-120 нм, и заполняющей воображаемый квадрат со стороной 10 мкм. Дополнительный полосковый резистор 5 представляет собой прямоугольник из сверхпроводниковой пленки, находящейся в нормальном состоянии. Контактные площадки 3 изготавливаются из NbN и покрываются золотом для улучшения электрического контакта.
с
с
Однофотонный детектор работает при температурах ниже 10 К (приблизительная температура сверхпроводящего перехода для тонких пленок NbN, например - 4,2 К). При указанном размере чувствительного элемента 4 (полоски) величина критического тока I составляет около 30 мкА при температуре 4,2 К. Величина транспортного тока составляет 0,8-0,9 от I.
Схематическое изображение электрической цепи с включенным в нее предлагаемым детектором показано на фиг. 2.
L
Предлагаемое устройство 1 подключается к источнику постоянного тока 8 и высокочастотному тракту (коаксиальной линии) с сопротивлением R. Однако в отличие от наиболее близкого аналога, в высокочастотный тракт не включены адаптер смещения и СВЧ-усилители. Импульсы напряжения, возникающие при поглощении чувсвительным элементом 4 (полоской) в форме меандра одиночных фотонов, поступают непосредственно в цифровой вольтметр 6.
Величина импульса напряжения, измеренного цифровым вольтметром 6, оказывается равной разности напряжений:
1
0
ΔU=U-U,
0
s
s
где U=I×R - напряжение в электрической цепи в исходном состоянии, с фиксированным током I, где R - сопротивление дополнительного полоскового резистора 5,
0
s
d
d
U=I×(R+R) - напряжение в электрической цепи при попадании фотона и переводе пленки в резистивное состояние с сопротивлением R.
а
Перевод однофотонного детектора в исходное (сверхпроводящее) состояние осуществляется переводом ключа 7 из положения  в положение b. Электрический ток в цепи, в которую включен детектор, перестает течь. Кроме того, использование ключа 7 для перевода цепи в закороченное состояние на землю позволяет избежать возникновения импульса напряжения при следующем цикле измерений.
а
Для автоматизации перевода ключа из положения  в положение b источник постоянного тока 8 и ключ 7 может быть заменен генератором напряжения специальной формы.
Основные характеристики предлагаемого сверхпроводникового однофотонного детектора (фиг. 1 и 2) приведены в следующей таблице.
Последовательное включение дополнительного полоскового резистора 5 в электрическую цепь позволяет реализовать устройство, сохраняющее информацию о попадании одиночного фотона в предлагаемый детектор.
Наиболее успешно заявленный сверхпроводниковый однофотонный детектор, сохраняющий информацию о попадании в него одиночного фотона, промышленно применим для регистрации отдельных фотонов видимого и инфракрасного диапазонов в системах оптической волоконной связи, телекоммуникационных технологиях, в системах защиты передаваемой информации с помощью систем квантовой криптографии, в электронике для диагностики и тестирования больших интегральных схем (БИС), в спектроскопии одиночных молекул, анализе излучения квантовых точек в полупроводниковых наноструктурах, астрономии и медицине.