• 儀器響應(yīng)功能低至 17.8 ps
• 極低的定時(shí)抖動(dòng)（<8 ps RMS）
• 從可見(jiàn)光到中紅外（0.5 - 2.5 μm）的光譜靈敏度
• 極低的暗計(jì)數(shù)率（典型值 <10 cps）
• 量子效率 > 85
• 無(wú)后脈沖

說(shuō)明

超導(dǎo)氮化鈮探測(cè)器具有高達(dá)紅外波長(zhǎng)的靈敏度和低皮秒范圍的時(shí)間分辨率。這種探測(cè)器基于納米結(jié)構(gòu)的超薄氮化鈮層（"納米線"）。該結(jié)構(gòu)被冷卻到幾開(kāi)爾文的溫度，從而使氮化鈮薄膜具有超導(dǎo)性。直流電流通過(guò)該裝置。當(dāng)?shù)壗Y(jié)構(gòu)吸收光子時(shí)，會(huì)暫時(shí)失去超導(dǎo)。隨后，該結(jié)構(gòu)上的電壓會(huì)增加，持續(xù)時(shí)間約為納秒。放大的電壓脈沖形成探測(cè)器的輸出信號(hào)。

TCSPC 時(shí)間分辨率世界紀(jì)錄：bh SPC-150NX 與 SCONTEL NbN 探測(cè)器的組合實(shí)現(xiàn)了 17.8 ps 的半峰全寬(FWHM)。

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摘要： 我們提出了一種超快時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)（TCSPC）裝置，該裝置由 bh SPC-150NX TCSPC 模塊和 SCONTEL 超導(dǎo) NbN 探測(cè)器組成。該組合實(shí)現(xiàn)了半峰全寬為 17.8 ps 的儀器響應(yīng)函數(shù)（IRF）。總單光子計(jì)時(shí)抖動(dòng)的均方根值約為 7.9 ps。

探測(cè)器

超導(dǎo)單光子探測(cè)器 (SSPD) 由超薄納米帶狀超導(dǎo)薄膜構(gòu)成。該納米帶通常呈蜿蜒狀 [3, 10, 11]。作為光學(xué)探測(cè)器時(shí)，超導(dǎo)納米帶需施加接近臨界值的直流偏置電流。光子的吸收會(huì)導(dǎo)致準(zhǔn)粒子濃度非平衡區(qū)域的形成。此時(shí)電流密度超過(guò)臨界值，納米帶兩端形成電阻區(qū)。由此產(chǎn)生的電壓脈沖表明探測(cè)到了光子。該機(jī)制在文獻(xiàn) [11] 中有詳細(xì)描述。超導(dǎo) NbN 探測(cè)器具有極低的定時(shí)抖動(dòng)，光譜靈敏度范圍覆蓋可見(jiàn)光到中紅外波段。SSPD 的暗計(jì)數(shù)率極低，通常低于每秒 1 次計(jì)數(shù)，且無(wú)后脈沖現(xiàn)象。探測(cè)器的有效面積約為 10 μm ² 。

SCONTEL SSPD 探測(cè)系統(tǒng)[7]有液氦冷卻版本和閉式循環(huán)制冷版本兩種，如圖 1 左圖所示。兩種略有不同的探測(cè)器類型的光譜靈敏度如圖 1 右圖所示。

圖 1：左圖：SCONTEL 超導(dǎo) NbN 探測(cè)器、放大器和控制器單元以及閉式循環(huán)冷卻器。右圖：光譜靈敏度曲線。引自 [7]。

實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)中，我們使用了 SCONTEL TCORPS-UF-10 超導(dǎo) NbN 探測(cè)器，包括液氦冷卻版本和閉循環(huán)制冷版本[7]。測(cè)試光源為 AVESTA Project EFO-80 激光器。該激光器發(fā)射波長(zhǎng)為 1560 nm、重復(fù)頻率為 50 MHz 的脈沖。它有兩個(gè)輸出，一個(gè)脈沖寬度為 1 ps，另一個(gè)脈沖寬度為 300 fs。1 ps 輸出通過(guò)高速光電二極管產(chǎn)生 TCSPC 器件的同步信號(hào)。300 fs 輸出經(jīng) F2A FHA2 系列光纖衰減器衰減后耦合到探測(cè)器。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)單模光纖連接。

來(lái)自探測(cè)器的單光子響應(yīng)脈沖經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)低噪聲 GHz 帶寬射頻放大器放大。總增益為 40 dB（1:100），脈沖幅度約為 200 mV。放大后的脈沖連接至 bh SPC-150NX TCSPC 模塊的計(jì)數(shù)輸入端。與常用的 SPC-150 相比，SPC-150NX 的鑒別器帶寬高 4 倍，TAC 范圍快 2 倍[1]。最小時(shí)間通道寬度為 405 fs，電 IRF 寬度為 3.6 ps（半高全寬）。實(shí)驗(yàn)中使用的計(jì)數(shù)率介于 100 kHz 至 2 MHz 之間。

結(jié)果

圖 2 顯示了包括激光器、光纖系統(tǒng)、探測(cè)器、參考光電二極管和 TCSPC 器件在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)的儀器響應(yīng)函數(shù)。IRF 的半峰全寬 (FWHM) 為 17.8 ps。

圖 2：探測(cè)器-TCSPC 組合的儀器響應(yīng)函數(shù)。左圖：線性刻度。右圖：對(duì)數(shù)刻度。兩者均使用 bh SPC-150NX TCSPC 模塊記錄，每通道時(shí)間為 405 飛秒。spc -150n-06，第 4 頁(yè)，35.8 ps / 2 或 spc-150n-05，第 3 和 4 頁(yè)，35.6 和 35.8 ps，穩(wěn)定性極佳 。

對(duì)數(shù)顯示表明，IRF 具有約占峰值振幅 2%、持續(xù)時(shí)間約 150 ps 的低振幅尾部。我們尚不清楚這是探測(cè)器的特性、激光脈沖形狀的慢尾效應(yīng)，還是光纖系統(tǒng)的色散效應(yīng)。對(duì)計(jì)數(shù)超過(guò)峰值 1% 的通道進(jìn)行有效渡越時(shí)間抖動(dòng)均方根計(jì)算，結(jié)果約為 7.9 ps。

探測(cè)器-TCSPC 組合的時(shí)間穩(wěn)定性極佳。圖 3 左圖顯示了間隔 5 分鐘的兩次記錄。兩條曲線（藍(lán)色和紅色）幾乎無(wú)法區(qū)分。作為對(duì)比，圖 3 右圖顯示了光纖長(zhǎng)度相差 30 毫米的兩次記錄。

圖 3：左圖：兩次獨(dú)立的記錄，分別用藍(lán)色和紅色表示，兩次測(cè)量間隔 5 分鐘。時(shí)間漂移小于 3C1 ps。右圖：兩次記錄，光程差為 3 cm。

討論

此前已有研究對(duì)采用鈮氮化物（NbN）探測(cè)器的時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)（TCSPC）的時(shí)間分辨率進(jìn)行了評(píng)估并發(fā)表了結(jié)果。Hadfield（2008）指出，其儀器響應(yīng)函數(shù)（IRF）寬度為 68 ps（半高全寬，F(xiàn)WHM）[2]。Rosenberg 等人（2013）報(bào)道的時(shí)間分辨率為 60 至 80 ps，但遺憾的是，他們并未描述光學(xué)系統(tǒng)和 TCSPC 裝置[5]。Pernice 等人（2012）使用均方根（RMS）時(shí)間為 19 ps 的 TCSPC 器件，實(shí)現(xiàn)了 50 ps 的 IRF 寬度[4]。Liu 等人（2014）在探測(cè)器前使用多模光纖時(shí)，獲得了 75.7 ps 的 IRF 寬度[3]。使用單模光纖時(shí)，他們獲得了 52.2 ps 的 IRF 寬度。

Single Quantum（荷蘭）公司的一款 Nb??N 探測(cè)器，雖然標(biāo)稱延遲時(shí)間為 75 ps，但在使用 bh SPC-150 模塊時(shí)，實(shí)際延遲時(shí)間（FWHM）為 48 ps。然而，測(cè)試激光器（一臺(tái)帶有聲光可調(diào)諧濾波器的超連續(xù)譜激光器）的脈沖寬度并不精確。根據(jù) 40 ps 激光脈沖寬度的結(jié)果進(jìn)行外推，估計(jì)探測(cè)器本身的延遲時(shí)間約為 25 ps [1]。Toussaint 等人（2012）報(bào)道了德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院制造的探測(cè)器的延遲時(shí)間（FWHM）為 35 ps [9]。該測(cè)試結(jié)果后來(lái)改進(jìn)為 22.2 ps [1, 10]。基于這些數(shù)據(jù)，作者估計(jì)探測(cè)器本身的延遲時(shí)間抖動(dòng)為 19.8 ps（FWHM）。

利用超高速采樣示波器也對(duì) SSPD 探測(cè)器的定時(shí)抖動(dòng)進(jìn)行了測(cè)量。Verevkin 等人（2004）使用采樣率為 50 GHz 的示波器，獲得了 18 ps 的半峰全寬（FWHM）[11]。在類似的測(cè)量設(shè)置中，Pernice 等人（2012）獲得了 18 ps 的 FWHM，Schuck 等人（2013）獲得了 18.4 ps，Tarkhov 等人（2008）獲得了 16 ps [4, 6, 8]。然而，需要注意的是，這些值僅針對(duì)探測(cè)器本身，而非探測(cè)器與時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)（TCSPC）的組合。此外，兩者還存在另一個(gè)顯著區(qū)別：示波器通過(guò)記錄連續(xù)脈沖來(lái)計(jì)算質(zhì)心值，并構(gòu)建這些值的直方圖。而 TCSPC 器件則直接在探測(cè)器脈沖的邊緣觸發(fā)。高頻噪聲對(duì)這兩種情況的影響不同：質(zhì)心法可以部分消除噪聲，而邊緣觸發(fā)法則不能。據(jù)我們所知，我們獲得的 17.8 ps FWHM 是迄今為止所有探測(cè)器-TCSPC 組合中報(bào)道的最快的 IRF。

問(wèn)題在于我們獲得的 17.8 ps 的時(shí)間精度是否還能進(jìn)一步提高。理論分析表明，準(zhǔn)粒子雪崩累積過(guò)程中的時(shí)間抖動(dòng)可能遠(yuǎn)低于 10 ps FWHM。TCSPC 模塊的電響應(yīng)（對(duì)于無(wú)噪聲輸入脈沖）小于 4 ps FWHM。因此，我們認(rèn)為時(shí)間不確定性的主要來(lái)源是電子噪聲。使用噪聲系數(shù)更低的放大器并不能顯著改善這種情況。優(yōu)質(zhì)放大器的噪聲系數(shù)小于 2dB。這意味著輸入?yún)⒖荚肼晝H比 50 歐姆輸入匹配電阻的熱噪聲高 25%。換句話說(shuō)，大部分噪聲來(lái)自該電阻。降低噪聲的唯一方法是冷卻。電阻噪聲與溫度的平方根成正比。因此，使用液氮（70K）冷卻可以將噪聲降低一半。通常情況下，整個(gè)放大器都需要冷卻，因?yàn)槠ヅ潆娮枋欠糯笃餍酒囊徊糠帧＿@意味著只能使用基于 MESFET 的放大器——雙極型晶體管在 70K 溫度下無(wú)法工作。

提高分辨率的另一種方法是增加探測(cè)器自身單光子脈沖的振幅。然而，簡(jiǎn)單地增加探測(cè)器偏置電流并不能解決問(wèn)題。超過(guò)一定值后，暗計(jì)數(shù)率會(huì)急劇增加[11, 7]，并且在更高的電流下，超導(dǎo)性會(huì)完全消失。雖然可以通過(guò)改進(jìn)探測(cè)器設(shè)計(jì)來(lái)提高振幅，但這尚未得到實(shí)際驗(yàn)證。