超导纳米线单光子探测器暗记数的来源与抑制

刘禹彤　李勃

摘 要：超导纳米线单光子探测器作为未来深空激光通信系统的核心设备之一，其暗记数率对通信误码率有十分重要的影响。本文论述了超导纳米线单光子探测器暗记数的来源于抑制方法，通过低温制冷与片上滤光技术、优化纳米线结构与选取合适偏置电流的方式分别降低背景与本征暗记数；对现有探测系统进行测试，得到了最优工作状态下的偏置电流为20.5μA，其探测效率为54%，暗记数率为195Hz。

关键词：深空光通信 超导纳米线单光子探测器 暗计数率 偏置电流

中图分类号：O57 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）09（b）-0010-04

传统的深空微波通信以X、S、Ka波段作为载波，并通过星载终端的大口径、高功率天线发射和地面大口径接收等方式完成深空数据传输任务[1]。但随着人类对宇宙深处探索步伐的加快，需要传回地面站的科研数据体量也不断增加。此时，微波通信遇到了提速瓶颈。而激光通信技术凭借其高传输速率、强保密性、抗电磁干扰、低功耗、低质量等优点，为深空高速通信提供了可能性[2]。2013年，美国宇航局NASA成功完成了月地激光通信演示验证试验，在40万km的链路距离上，实现了最高622Mbps的下行传输速率，进一步证明了激光通信技术应用在深空数传系统中的可行性[3]。此外，美国宇航局NASA和欧洲南方天文台（ESA）还公布了未来深空通信网的建设蓝图，均计划在火星探测器、木星探测器上应用光通信技术，可见深空激光通信系统具有巨大应用潜力[4]。

需要注意的是，从星载终端发射的光信号会经过巨大的链路损耗和大气衰减，到达地面接收端的微弱信号往往仅剩几个光子，这为高灵敏度探测系统提出新的挑战。随着单光子探测技术的发展，一系列单光子探测器应运而生。其中超导纳米线单光子探测器（Superconducting Nanowire Single Photon Detector，SNSPD）以其优越的性能脱颖而出，成为深空激光通信系统地面高灵敏度探测技术核心设备之一。SNSPD系统依靠超导临界温度下纳米线的热点（hotspot）效应，实现对单个光子的高灵敏度检测。它可在近红外波段实现较高的量子效率（～90%），同时它还具有皮秒量级的时间抖动、纳秒量级甚至更短的死时间、数百赫兹的暗记数率等优点[5]。

在通信系统中，除了对通信速率有很高要求外，误码率也是衡量通信性能的重要指标。其中，探测器性能对整个系统误码率的影响不容忽视。本文分析了超导纳米线单光子探测器暗记数的来源，探讨了暗记数的抑制方法，最后对现有SNSPD探测系统的暗记数进行了测量。

1 SNSPD暗记数来源分析与抑制

1.1 背景暗记数及抑制

系统背景热辐射，光纤引入的杂散光会导致暗记数的出现[6]。任何物体都会存在黑体辐射现象。SNSPD通过光纤将空间光耦合到纳米线上，此时不可避免地引入了黑体辐射和杂散光。通过稳定的低温制冷，黑体辐射产生的光子可以得到有效抑制，如Shibata利用低温下的光纤滤光器大幅降低了系统的暗记数，但其带来的衰减却降低了系统的探测效率[7]。针对此为问题，Xiaoyan Yang等人利用集成到纳米线上的多层片上滤光片很好地降低了黑体辐射和杂散光，同时还保证了感兴趣波段的高探测效率，图1为实验结果[8]。

图1（a）中三角号表示背景暗记数，星号表示本征暗记数，黑色数据为采用片上滤光结构的SNSPD测试结果，深灰色数据代表普通结构SNSPD的测试结果。可见，随着偏置电流的增加，系统探测效率（System Detection Efficiency， SDE）的增长幅度不断加大，同时两种暗记数率（Dark Count Rate， DCR）也随之增加；采用滤光片后，背景暗记数增加幅度减小且趋于稳定。图1（b）中，当探测效率为55%时，采用片上滤光片的SNSPD暗记数仅有0.4Hz，而普通结构SNSPD的暗记数却达到了1000Hz。可见片上滤光结构对暗记数的抑制效果十分明显。

1.2 本征暗记数及抑制

对于SNSPD本征暗记数的成因学术界还没有明确定论，但此方面的研究工作一直在进行中。目前，对于本征暗记数的解释主要有两点：（1）边界单磁通穿越；（2）磁通-反磁通对拆散[9]。我们以前者为例做主要阐述。

当纳米线处于超导状态下时，纳米线边界附近会自发产生自由磁通（vortex）。如图2所示，在外部加载偏置电流后，自由磁通在洛伦兹力作用下有一定概率突破势垒，进而从产生的边界穿越到另一面边界，这个过程中伴随着准粒子的产生与积累，当被激发出的准粒子云集聚半径超过一定值后，超导状态被破坏，从而形成正常阻区并阻断电流传导，进而在外部电路上形成电压脉冲，导致暗记数。L.N. Bulaevskii等人对单磁通穿越的物理机制进行了探讨分析，得到了暗计数率R的数学模型如下[10]。

（1）

式中，T为纳米线工作温度，R为纳米线阻值，Φ0为磁通量子，ν为与偏置电流Ibias、温度T和磁通能量有关的参数、ξ为相干长度，ω和L分别為纳米线的宽度和长度。可见，SNSPD的暗记数率不仅与纳米线本身的尺寸和材料有关，还与偏置电流和工作温度有关。文章用模型对3种不同尺寸的纳米线暗记数率的测量结果进行了拟合，如图3所示。其中，1号样品尺寸最小，3号最大。可见，不同尺寸的纳米线暗计数率差别明显。且随着偏置电流的增加，暗记数急剧上升。

磁通-反磁通对拆散引起暗记数的过程与上述过程类似。磁通-反磁通的磁场方向相反，当纳米线处于偏置状态时，部分磁通-反磁通对受洛伦兹力的作用会被拆散，形成两个单磁通，接着自由磁通各自向纳米线边界移动，破坏超导状态，形成暗记数。

虽然暗记数形成原因还未得到完美的解释，但是可以通过一些方法来抑制暗记数的产生。对纳米线的结构进行优化设计，如选取合适的宽度、长度、厚度组合，研发性能更好的超导材料，或者增大SNSPD急弯曲率半径。在使用时通常采用更好的制冷设备，如采用商用G-M制冷机使纳米线工作在温度尽量低且稳定的状态。此外，降低偏置电流也能起到减少暗记数的效果，但是这会导致SNSPD探测效率的降低，因此在实际应用中需要根据应用要求进行充分的衡量和舍取。

2 SNSPD系统暗记数实测

如图4所示，整个SNSPD系统分为SNSPD探测单元、电流偏置系统、压缩机与真空泵、制冷机4个部分。其中SNSPD探测器安装在内部镀金的密封罐内，电流偏置系统可以调节系统偏置电流，压缩机与真空泵负责将密封罐内部空气抽出，使探测器处于真空环境，制冷机通过氦气循环制冷保证探测器2.9K的工作温度。

我们采用统计平均的方式测量系统暗记数与探测效率。通过图4中的信号发生器调制单光子源脉冲激光器，使其输出重频1MHz，功率1MW的光信号。然后光信号经单模光纤传输与多次衰减器衰减，使最终耦合到探测器内的光子数为1000000个，通过光子计数系统的检测得到有效探测次数。

首先，让光信号输入探测器内，调节偏置电流大小，测出系统探测效率与偏置电流的关系，如图5所示。可见，随着偏置电流的增加，探测效率逐渐增大直至趋于平缓。其中，偏置電流为17.5μA时，探测效率仅有32.5%左右；增大电流，探测效率随之线性增加，当偏置电流分别为20μA、20.5μA、21μA时，探测效率达到基本维持在54%；继续调节使偏置电流接近临界电流21.7μA，系统探测效率达到最大的55%。图6是切断光信号输入时得到的暗记数率与偏置电流关系曲线。可知，偏置电流在17.5～19.5μA范围内时，暗记数增加幅度不大，而当偏置电流超过20μA后，暗记数大幅增多，最大可到达243Hz。综上，在实际的光通信实验过程中，为了保证高探测效率和低暗记数，可将偏置电流设为20μA，以达到最好的探测效果。

3 结语

本文较为详细地论述了超导纳米线单光子探测器暗记数的来源与抑制方法。通过低温制冷与片上滤光技术可使背景暗记数率降低到0.4Hz，同时可保证较高的系统探测效率；而本证暗记数则可通过纳米线结构优化设计、新型材料选取和选取合适工作温度与偏置电流的方式得到抑制。最后，对现有的SNSPD系统的SDE与DCR进行了测试。测量结果表明，SDE与DCR均随着偏置电流的增大而增大，不同的是SDE最终趋于平缓，而DCR有继续大幅增加的趋势。为了保证深空光通信对微弱信号的高效探测和低误码率，可将系统偏置电流设置为20.5μA。

参考文献

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[2] 姜会林，佟首峰.空间激光通信技术与系统[M].北京：国防工业出版社，2010：10-20.

[3] D M Boroson， B S. Robinson， D V Murphy， et al. Overview and Results of the Lunar Laser Communication Demonstration[J].Spie Lose，2014，8971（6）：11.

[4] Klaus-Juergen Schulz， John Rush， et al. Optical Link Study Group（OLSG） Final Report[R].IOAG.OLSG，2012：1-164.

[5] 尤立星.超导纳米线单光子探测技术进展[J].中国科学：信息科学，2014（44）：370-388.

[6] 赵清源.高速、空间分辨超导单光子探测系统及其应用[D].江苏：南京大学，2014.

[7] Shibata H， Shimizu K， Takesue H，et al. Superconducting nanowire single-photon detector with ultralow dark count rate using cold optical filters[J].Applied Physics Express， 2013，6（7）：72801.

[8] Xiaoyan Yang， Hao Li， Weijun Zhang，et al. Superconducting nanowire single photon detector with on-chip bandpass filter[J]. Optics Express， 22（13）：16268-16272.

[9] Andreas Engel， Andreas Schilling.Numerical analysis of detection-mechanism models of SNSPD[J].IEEE Transactions on Applied Superconductivi-ty，2014，25（3）：1-7.

[10] LN. Bulaevskii， MJ Graf， CD Batista et al. Vortex-induced dissipation in narrow current-biased thin-film superconducting strips[J].Physical Review B， 2011，83（14）：4400-4408.