高综合性能超导纳米线单光子探测器

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.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.采用发散小、易刻蚀的Au/SiO2光学腔,在提高纳米线光吸收效率的同时通过优化自对准芯片外轮廓加工精度的方式来提高自对准SNSPD的光耦合效率,并完成了配套的工艺研发.并通过小芯径光纤从器件封装角度提升耦合效率.除此之外,探测器的双层纳米线结构使其拥有更低的动态电感和更高的超导转变电流,进一步优化了器件的时间特性.实验制备的探测器在2.2 K温度下于1310 nm处达到最大效率82%,并且在1200—1600 nm波长范围内均有65%以上的系统探测效率,同时表现出40 MHz@3 dB的计数率以及38 ps的时间抖动.进一步,利用低温放大器读出系统可得到最小22 ps的时间抖动.本文研制的高综合性能超导单光子探测器,为实用化、产品化SNSPD提供了重要的技术参考.