超导氮化铌探测器

• 仪器响应功能低至 17.8 ps
• 极低的定时抖动（<8 ps RMS）
• 从可见光到中红外（0.5 - 2.5 µm）的光谱灵敏度
• 极低的暗计数率（典型值 <10 cps）
• 量子效率 > 85
• 无后脉冲

说明

超导氮化铌探测器具有高达红外波长的灵敏度和低皮秒范围的时间分辨率。这种探测器基于纳米结构的超薄氮化铌层（"纳米线"）。该结构被冷却到几开尔文的温度，从而使氮化铌薄膜具有超导性。直流电流通过该装置。当氮化铌结构吸收光子时，会暂时失去超导。随后，该结构上的电压会增加，持续时间约为纳秒。放大的电压脉冲形成探测器的输出信号。

TCSPC 时间分辨率世界纪录：bh SPC-150NX 与 SCONTEL NbN 探测器的组合实现了 17.8 ps 的半峰全宽(FWHM)。

沃尔夫冈·贝克尔、弗拉迪斯拉夫·什切斯拉夫斯基、帕维尔·莫罗佐夫

摘要： 我们提出了一种超快时间相关单光子计数（TCSPC）装置，该装置由 bh SPC-150NX TCSPC 模块和 SCONTEL 超导 NbN 探测器组成。该组合实现了半峰全宽为 17.8 ps 的仪器响应函数（IRF）。总单光子计时抖动的均方根值约为 7.9 ps。

探测器

超导单光子探测器 (SSPD) 由超薄纳米带状超导薄膜构成。该纳米带通常呈蜿蜒状 [3, 10, 11]。作为光学探测器时，超导纳米带需施加接近临界值的直流偏置电流。光子的吸收会导致准粒子浓度非平衡区域的形成。此时电流密度超过临界值，纳米带两端形成电阻区。由此产生的电压脉冲表明探测到了光子。该机制在文献 [11] 中有详细描述。超导 NbN 探测器具有极低的定时抖动，光谱灵敏度范围覆盖可见光到中红外波段。SSPD 的暗计数率极低，通常低于每秒 1 次计数，且无后脉冲现象。探测器的有效面积约为 10 μm ² 。

SCONTEL SSPD 探测系统[7]有液氦冷却版本和闭式循环制冷版本两种，如图 1 左图所示。两种略有不同的探测器类型的光谱灵敏度如图 1 右图所示。

图 1：左图：SCONTEL 超导 NbN 探测器、放大器和控制器单元以及闭式循环冷却器。右图：光谱灵敏度曲线。引自 [7]。

实验装置

实验中，我们使用了 SCONTEL TCORPS-UF-10 超导 NbN 探测器，包括液氦冷却版本和闭循环制冷版本[7]。测试光源为 AVESTA Project EFO-80 激光器。该激光器发射波长为 1560 nm、重复频率为 50 MHz 的脉冲。它有两个输出，一个脉冲宽度为 1 ps，另一个脉冲宽度为 300 fs。1 ps 输出通过高速光电二极管产生 TCSPC 器件的同步信号。300 fs 输出经 F2A FHA2 系列光纤衰减器衰减后耦合到探测器。整个系统通过单模光纤连接。

来自探测器的单光子响应脉冲经标准低噪声 GHz 带宽射频放大器放大。总增益为 40 dB（1:100），脉冲幅度约为 200 mV。放大后的脉冲连接至 bh SPC-150NX TCSPC 模块的计数输入端。与常用的 SPC-150 相比，SPC-150NX 的鉴别器带宽高 4 倍，TAC 范围快 2 倍[1]。最小时间通道宽度为 405 fs，电 IRF 宽度为 3.6 ps（半高全宽）。实验中使用的计数率介于 100 kHz 至 2 MHz 之间。

结果

图 2 显示了包括激光器、光纤系统、探测器、参考光电二极管和 TCSPC 器件在内的整个系统的仪器响应函数。IRF 的半峰全宽 (FWHM) 为 17.8 ps。

图 2：探测器-TCSPC 组合的仪器响应函数。左图：线性刻度。右图：对数刻度。两者均使用 bh SPC-150NX TCSPC 模块记录，每通道时间为 405 飞秒。spc -150n-06，第 4 页，35.8 ps / 2 或 spc-150n-05，第 3 和 4 页，35.6 和 35.8 ps，稳定性极佳 。

对数显示表明，IRF 具有约占峰值振幅 2%、持续时间约 150 ps 的低振幅尾部。我们尚不清楚这是探测器的特性、激光脉冲形状的慢尾效应，还是光纤系统的色散效应。对计数超过峰值 1% 的通道进行有效渡越时间抖动均方根计算，结果约为 7.9 ps。

探测器-TCSPC 组合的时间稳定性极佳。图 3 左图显示了间隔 5 分钟的两次记录。两条曲线（蓝色和红色）几乎无法区分。作为对比，图 3 右图显示了光纤长度相差 30 毫米的两次记录。

图 3：左图：两次独立的记录，分别用蓝色和红色表示，两次测量间隔 5 分钟。时间漂移小于 3C1 ps。右图：两次记录，光程差为 3 cm。

讨论

此前已有研究对采用铌氮化物（NbN）探测器的时间相关单光子计数（TCSPC）的时间分辨率进行了评估并发表了结果。Hadfield（2008）指出，其仪器响应函数（IRF）宽度为 68 ps（半高全宽，FWHM）[2]。Rosenberg 等人（2013）报道的时间分辨率为 60 至 80 ps，但遗憾的是，他们并未描述光学系统和 TCSPC 装置[5]。Pernice 等人（2012）使用均方根（RMS）时间为 19 ps 的 TCSPC 器件，实现了 50 ps 的 IRF 宽度[4]。Liu 等人（2014）在探测器前使用多模光纤时，获得了 75.7 ps 的 IRF 宽度[3]。使用单模光纤时，他们获得了 52.2 ps 的 IRF 宽度。

Single Quantum（荷兰）公司的一款 Nb​​N 探测器，虽然标称延迟时间为 75 ps，但在使用 bh SPC-150 模块时，实际延迟时间（FWHM）为 48 ps。然而，测试激光器（一台带有声光可调谐滤波器的超连续谱激光器）的脉冲宽度并不精确。根据 40 ps 激光脉冲宽度的结果进行外推，估计探测器本身的延迟时间约为 25 ps [1]。Toussaint 等人（2012）报道了德国卡尔斯鲁厄理工学院制造的探测器的延迟时间（FWHM）为 35 ps [9]。该测试结果后来改进为 22.2 ps [1, 10]。基于这些数据，作者估计探测器本身的延迟时间抖动为 19.8 ps（FWHM）。

利用超高速采样示波器也对 SSPD 探测器的定时抖动进行了测量。Verevkin 等人（2004）使用采样率为 50 GHz 的示波器，获得了 18 ps 的半峰全宽（FWHM）[11]。在类似的测量设置中，Pernice 等人（2012）获得了 18 ps 的 FWHM，Schuck 等人（2013）获得了 18.4 ps，Tarkhov 等人（2008）获得了 16 ps [4, 6, 8]。然而，需要注意的是，这些值仅针对探测器本身，而非探测器与时间相关单光子计数（TCSPC）的组合。此外，两者还存在另一个显著区别：示波器通过记录连续脉冲来计算质心值，并构建这些值的直方图。而 TCSPC 器件则直接在探测器脉冲的边缘触发。高频噪声对这两种情况的影响不同：质心法可以部分消除噪声，而边缘触发法则不能。据我们所知，我们获得的 17.8 ps FWHM 是迄今为止所有探测器-TCSPC 组合中报道的最快的 IRF。

问题在于我们获得的 17.8 ps 的时间精度是否还能进一步提高。理论分析表明，准粒子雪崩累积过程中的时间抖动可能远低于 10 ps FWHM。TCSPC 模块的电响应（对于无噪声输入脉冲）小于 4 ps FWHM。因此，我们认为时间不确定性的主要来源是电子噪声。使用噪声系数更低的放大器并不能显著改善这种情况。优质放大器的噪声系数小于 2dB。这意味着输入参考噪声仅比 50 欧姆输入匹配电阻的热噪声高 25%。换句话说，大部分噪声来自该电阻。降低噪声的唯一方法是冷却。电阻噪声与温度的平方根成正比。因此，使用液氮（70K）冷却可以将噪声降低一半。通常情况下，整个放大器都需要冷却，因为匹配电阻是放大器芯片的一部分。这意味着只能使用基于 MESFET 的放大器——双极型晶体管在 70K 温度下无法工作。

提高分辨率的另一种方法是增加探测器自身单光子脉冲的振幅。然而，简单地增加探测器偏置电流并不能解决问题。超过一定值后，暗计数率会急剧增加[11, 7]，并且在更高的电流下，超导性会完全消失。虽然可以通过改进探测器设计来提高振幅，但这尚未得到实际验证。