超导NbTiN纳米线单光子探测器的薄膜材料和器件物理

Superconducting nanowire single photon detector (SNSPD) exhibits high performances in detection of short-wave infrared photons. SNSPD has significant applications in high speed optical communication, quantum information processing, time-of-flight depth ranging and many other areas. However, a further improvement of SNSPD performances is quite urgent. How to simultaneously achieve a SNSPD with high detection efficiency and high count rate is still a challenge for researchers. NbTiN thin film is considered as a suitable material to satisfy such demands, in contrast to the widely used NbN. We propose to carry out detailed research on the intrinsic detection efficiency and count rate of NbTiN-based SNSPDs. We design and fabrication of NbTiN thin films and devices. Specific studies include: (1) the influence of the thin film with different compositions on their superconducting properties, and the realization of controllable preparation of thin film; (2) the influence of the film compositions on the intrinsic detection efficiency and count rate; (3) the relationship between the electro-thermal relaxation time during a photon detection event. This project may provide a further understanding on the mechanisms of SNSPD detection, especially the intrinsic detection efficiency and electro-thermal relaxation time. It could also offer useful references for high-speed and efficient SNSPDs.

超导纳米线单光子探测器（SNSPD）对短波红外光子的探测展现出极好的性能，在高速的光通信，量子信息处理，飞行时间测距等领域具有重要的应用前景。然而，进一步提升SNSPD的性能是十分迫切的。如何在保证高探测效率的同时，实现高计数率的器件是目前研究的热点。与传统的NbN材料相比，NbTiN被认为是实现这一目标的合适材料。我们建议从NbTiN薄膜材料出发，器件设计和制备为实现手段，针对器件的本征探测效率、计数率这两个相互关联的物理量开展细致研究。具体研究内容包括：（1）薄膜组分比对超导特性的影响及其可控制备；（2）薄膜组分比对本征探测效率、计数率的影响规律；（3）在光子探测过程中电热弛豫时间的相互关系。本项目有望加深对SNSPD探测机理的认识，特别是对本征探测效率、电热弛豫时间的理解；同时为实现高效、高速SNSPD提供参考。

随着光量子通信、光量子模拟和计算等前沿应用的飞速发展，现有单光子探测器在探测效率和最高计数率等方面已经不能满足应用的需求，成为制约量子信息技术发展的主要瓶颈。超导纳米线单光子探测器（SNSPD）在短波红外光子探测中展现出其他类型探测器难以比拟的特性，比如，系统探测效率高（~ 93%@1550 nm），时间抖动低（< 18 ps），暗计数率（DCR）低（< 100 Hz）和接近1 GHz的计数率。目前，Nb(Ti)N是制备SNSPD普遍选择的材料，因为它在很薄的情形下仍然具有较高的转变温度Tc（~10 K），以及良好的热弛豫速度和化学稳定性。基于Nb(Ti)N的SNSPD已经展示出较好的器件性能，并已经成功的应用于QKD等实验中，极大的提高了信号传输距离和成码率。然而，进一步提升SNSPD性能是十分迫切的，特别是器件的系统探测效率（SDE, System Detection Efficiency）和最大光子计数率。如何在保证高探测效率的同时，实现高计数率的器件成为目前研究的热点。.本项目通过3年的研究，取得了如下成果：掌握了NbTiN薄膜制备参数对SNSPD探测效率和计数率的影响规律。成功制备组分变化的NbTiN-SNSPD，发现，组分变化显著影响器件性能。比如，2.4 A的溅射电流下，组分比为NbTi0.1N0.9，Tc最高；而2.6 A下，组分比为NbTi0.2N0.8时，本征探测效率最高。基于最优组分比的条件下，通过对吸收率和本征效率的优化，成功研制了探测效率超过90%的、实用化SNSPD。利用双光子时间关联计数方法测量器件的热弛豫时间，定量的研究了不同衬底材料对器件热弛豫时间的影响。研究发现，MgO衬底上的NbN具有最小的τth ~ 11.6 ps; 而Si衬底上的τth ~34.5 ps最大。本研究获得的数据可能为进一步提高SNSPD的探测效率和速度提供了有趣的信息。.本项目发表SCI 论文23篇，其中一作3篇，通讯1篇，影响因子≥5的文章4篇，影响因子≥3的文章8篇。