KR20020010105A - 초전도 단일 광자 검출기 - Google Patents

초전도 단일 광자 검출기 Download PDF

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KR20020010105A
KR20020010105A KR1020010045456A KR20010045456A KR20020010105A KR 20020010105 A KR20020010105 A KR 20020010105A KR 1020010045456 A KR1020010045456 A KR 1020010045456A KR 20010045456 A KR20010045456 A KR 20010045456A KR 20020010105 A KR20020010105 A KR 20020010105A
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소볼루스키로만
골츠만그리고리엔.
세메노브알렉세이디.
오쿠네브올레그브이.
윌셔케니쓰알.
카사피스티븐에이.
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유니버시티 오브 로체스터
하이든 마틴
슐럼버거 테크놀로지즈, 아이엔씨.
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Abstract

단일 광자 검출기는 임계 전류 가까이 바이어스된 초전도체 스트립을 포함한다. 상기 초전도체는 단일 입사 광자를 흡수하자마자 식별가능한 출력 신호를 제공한다. 한 실례에서, 상기 초전도체는 NbN(질화 니오븀)으로 이루어진 스트립이다. 다른 실례에서, 상기 초전도체 스트립은 구불구불하게 되어 광원으로부터 광자를 수용할 확률을 증가시킨다. 상기 단일 광자 검출기는 자유 공간과 위성 통신 장치, 양자 통신 장치, 양자 암호화, 약한 루미네슨스, 및 반도체 디바이스 테스트를 포함하는 다양한 응용예에 적합하다.

Description

초전도 단일 광자 검출기{SUPERCONDUCTING SINGLE PHOTON DETECTOR}
본 발명은 일반적으로 광검출기에 관한 것으로, 특히 단일 광자 검출기에 관한 것이다.
광검출기는 광이 상기 검출기에 입사할 때 전압 또는 전류 출력 신호를 제공하는 장치이다. 광검출기에는 선형 검출기와 양자 검출기의 두 가지 기본 타입이 있다. 선형 검출기는 입사 광의 세기 또는 평균 광전력의 1차 함수인 출력 신호를 제공한다. 양자 검출기는 입사광의 광자를 검출하는 동시에 출력 신호를 제공한다.
단일 광자 검출기는 한번에 하나의 입사 광자를 검출할 수 있는 양자 검출기이다. 상업적으로 이용 가능한 단일 광자 검출기는 가시광 및 이보다 더 짧은 파장의 전자 스펙트럼의 광 영역에 있는 광자를 검출한다. 이러한 상업적으로 이용 가능한 검출기는 EG&G Optoelectronics의 부품 번호 C30954와 같은 실리콘 애벌란시 광 다이오드(Si APD)를 포함한다. 전형적인 Si APD는 900㎚의 파장을 갖는 광자에 대해 70 A/W(amps/watt)의 응답도를 갖고, 1064㎚의 파장을 갖는 광자에 대해 36 A/W(amps/watt)의 응답도를 갖는다. 현재 이용 가능한 Si APD는 1100㎚의 파장을 갖는 광자를 검출할 정도로 민감하지 않다.
초전도 NbN(niobium nitride) 막으로부터 제조되는 열전자 광검출기의 특성은 K.S Il'in, I.I. Milostnaya, A.A Verevkin, G.N. Gol'tsman, E.M. Gershenzon, 및 Roman Sobolewski 등에 의해 "Ultimate Quantum Efficiency Of A Superconducting Hot-Electron Photodetector"의 제목으로 Applied Physics Letters의 Vol.73, No.26(1998년 12월 8일) 페이지 3938-3940에서 논의되었고, K.S Il'in, M. Lindgren, M. Currie, A.D. Semenov, G.N. Gol'tsman, Roman Sobolewski, S.I Chereduichenko, 및 E.M. Gershenzon 등에 의해 "Picosecond Hot-Electron Energy Relaxation in NbN Superconducting Photodetectors"의 제목으로 Applied Physics Letters의 Vol.76, No.19(2000년 5월 8일) 페이지 2752-2754에서 논의되었다. 두 간행물 모두 참고로 본 명세서에서 설명된다. 상기에 언급된 논문의 몇몇 저자들은 또한 본 발명의 발명자들이다. 첫 번째 논문에서 "NbN HEPs는 원적외선 복사의 단일 양자를 검출해서 단일 광자 검출기로서 SIS 터널 디바이스들과 성공적으로 경쟁할 수 있다"(Applied Physics Letters, Vol.73, No.26, P.3940)고 제안하고 있지만, 더 이상의 관련은 없다. 두 번째 논문에는 NbN의 열전자 효과의 본질적인 응답 시간에 대해 논의되어 있고, 이는 선형 및 양자 NbN 광검출기 모두에 응용된다.
본 발명은 가시광 스펙트럼 영역에서 원적외선 스펙트럼 영역까지의 파장에 있는 광자에 대한 양호한 양자 효과를 갖는 단일 광자, 시간 분해 검출기를 제공함으로써 상기에 언급한 종래 기술의 광검출기의 한계를 중점적으로 다룬다.
한 실시예에서, 단일 광자 검출기는 초전도체 스트립을 포함한다. 상기 초전도체는 그의 임계 전류에 가까운 전류로 바이어싱된다. 상기 초전도체는 단일 입사 광자의 흡수와 동시에 식별 가능한 출력 펄스 신호를 제공한다. 한 실시예에서, 상기 초전도체는 NbN 막의 협소한 스트립이다. 다른 실시예에서, 상기 초전도체는 구불구불한 모양을 가져서 표면적을 증기시키고, 또한 광원으로부터 광자를 흡수할 확률을 증가시킨다.
본 발명의 단일 광자 검출기는 자유 공간과 위성 통신 수단, 양자 통신 수단, 양자 암호화, 약한 루미네슨스, 및 반도체 장치 테스트를 포함하는 다양한 응용 분야에 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 초전도 단일 광자 검출기(SSPD)를 사용하는 광자 카운터의 블럭도를 나타낸다.
도 1b는 SSPD의 평면도를 나타낸다.
도 1c는 구부구불한 모양을 갖는 SSPD의 평면도를 나타낸다.
도 2a-2d는 단일 광자의 흡수와 동시에 SSPD를 가로질러 나타나는 전압을 발생시키리라고 본 발명자들이 생각하는 물리적인 프로세스를 도식적으로 나타낸다.
도 3a-3l은 SSPD의 제조 단면도이다.
도 4a는 본 발명의 SSPD를 포함하는 장치의 블록도를 나타낸다.
도 4b는 도 4a에 도시된 SSPD에 대한 바이어싱 배치를 보다 상세히 나타내는 도면이다.
도 4c는 4.2캘빈에서의 SSPD에 대한 전형적인 전류-전압(I-V) 플롯을 나타낸다.
도 5는 도 4a에 도시된 장치를 사용하여 펄스당 입사광 에너지 또는 등가로 펄스당, 디바치스당 광자수 중의 어느 하나의 함수로서 SSPD로부터의 출력 펄스를 검출할 확률의 플롯을 나타낸다.
도 6a와 6b는 도 4a에 도시된 장치에 사용된 SSPD의 전형적인 출력 신호의파형을 나타낸다.
도 7은 도 4a에 도시된 장치에 사용된 SSPD의 출력 신호의 오실로스코프 트레이스를 나타낸다.
도 8a-8c는 광을 SSPD에 결합하기 위한 다양한 배치 형태의 개략도를 나타낸다.
도 1a는 본 발명의 한 실시예에 따른 초전도 단일 광자 검출기를 포함하는 광자 카운터(10)의 블럭도를 나타낸다. 도 1a를 참조하여, SSPD(12)는 적절한 광학 장치(도시되지 않음)를 포함하는 광원(11)에 의해 방출된 광자(16)를 검출한다. 광원(11)은 반드시 광자 카운터(10)의 일부일 필요는 없고, 예를 들면, 스위칭때 광자를 방출하는 트랜지스터일 수 있다는 것을 이해할 것이다. 입사 광자의 흡수와 동시에, SSPD(12)는 응답으로 결합된 증폭기(13)에 의해 증폭된 전기 출력 펄스 신호를 발생한다. 각각의 출력 펄스 신호는 데이터 수집 시스템(DAQ)(14, 예를 들면, 적절한 인터페이스 회로와 소프트웨어를 장착한 컴퓨터)에 의해 기록되고 카운트된다.
한 실시예에서, SSPD(12)는 단일 입사 광자의 흡수와 동시에 출력 펄스 신호를 제공하기 위하여 전기적으로 바이어스되는 초전도체의 협소하고 얇은 스트립이다. 도 1b의 평면도에 도시된 바와 같이, 이번 실례에서 SSPD(12)는 약 200㎚의 폭(D1), 약 1㎛의 길이(D2) 및 약 5㎚의 두께를 갖는 NbN(niobium nitride)막의 협소한 스트립이다. 직류(DC) 바이어스 소스(도시하지 않음)는 금제 접촉 패드(42)를 통해서 SSPD(12)에 바이어싱 전류를 제공한다. SSPD(12)와 접촉 패드(42)는 일반적으로 기판 상에 배치된다. 적절한 기판으로는 적외선 및 가시광 적용을 위해 사파이어와 수정을 포함한다. 예를 들면, 적외선 적용을 위해 실리콘이 기판으로 사용될 수 있다. SSPD(12)는 통상적으로 광원(11)에 면하고 있으나 반드시 그럴 필요는 없다. 입사 광자들이 없는 경우와, SSPD(12)가 일반적으로 초전도 상태까지 냉각되어 있는 동안에, SSPD(12)가 초전도체이고, 초전도 상태에 있을 때 제로의 저항을 갖기 때문에 SSPD(12)를 가로지는 전압은 제로이다. SSPD(12)에 입사하는 광자는 초전도 상태를 저항성 상태로 변경시키고, 이에 의해 SSPD(12)를 가로질러 전압 강하가 발생하고, DAQ(14)에 의해 검출된다.
잘 알려진 바와 같이, SSPD(12)와 같은 초전도체는 초전도체에 의해 운반되는 전류의 양, 초전도체의 온도 및 초전도체를 둘러싸고 있는 외부 자기장이 임계값으로 언급되는 어떤 값 이하에서 지속될 때에만 초전도 상태를 유지한다. 상기 임계값(즉, 임계 전류, 임계 온도, 및 임계 자기장)은 초전도체와 그의 치수의 특성이다. 입사 광자가 없는 경우에 초전도 상태로 SSPD(12)를 유지하기 위해서, SSPD(12)는 약 10 캘빈 이하의 온도(얇은 NbN 막의 근사 임계 온도), 예를 들면 4.2 캘빈의 온도에서 유지되고, 주위 지구 자계에 노출된다. SSPD(12)를 통과하는 바이어싱 전류는 임계 전류 바로 이하로 설정되어 그의 감도를 증가시키고, 이에 의해 단일 광자가 검출된다. SSPD(12)의 임계 전류는 SSPD(12)를 그의 임계 온도와 임계 자기장 이하로 충분히 유지함으로써 실험적으로 결정되어, 초전도 상태(제로 저항)에서 저항 상태(약간의 저항)로 전이될 때까지 SSPD(12)를 통해서 흐르는 전류의 양을 증가시킨다.
도 2a-2d는 본 발명의 발명자들이 단일 광자의 흡수와 동시에 SSPD(12)를 가로질러 나타나는 전압 펄스를 발생시킬 것으로 믿는 물리적인 프로세스를 나타낸다. 그러나, 상기 SSPD를 만들거나 사용하기 위해 이를 반드시 이해할 필요는 없다. 도 2a-2d에 표시된 파선의 화살표는 SSPD를 통과하는 바이어싱 전류의 흐름을 개략적으로 나타낸다. 도 2a를 참조하여, SSPD(12)에 입사하는 광자는 열 스폿(hot spot)(21)을 발생시키고, 이 스폿은 전자의 온도가 SSPD(12)의 주위 온도보다 훨씬 높은 영역이다. 열 스폿(21)의 지름은 입사 광자의 에너지에 직접적으로 영향을 받는다. 수 ㎰ 이내에, 열 스폿(21)은 SSPD를 가로질러 더욱 확산되어, 더 큰 열 스폿(22)이 된다(도 2b). 열 스폿(22)은 SSPD(12) 내에서 더 이상 초전도 상태가 아닌 영역을 정의한다. 열 스폿(22)이 저항성 영역이기 때문에, 바이어싱 전류는 열 스폿(22) 주위와, 열 스폿(22)과 아직 초전도 상태인 SSPD(12)의 모서리들 사이의 영역 안으로 흐르게 된다. 이것은 여전히 초전도 영역에 있는 전류밀도를 임계 전류 밀도 이상으로 증가시키고, 이에 의해 초전도성이 깨지게 되어 저항성 영역(24)(또한 위상 슬립 중심으로 알려져 있음)이 만들어 진다. 따라서, SSPD(12)의 전체 폭을 가로질러 저항성 영역(25)(도 2d)이 형성된다. 저항성 영역(25)를 통해서 흐르는 바이어싱 전류는 SSPD(12)를 가로지르는 전압 신호를 발생시킨다.
열 스폿(즉, 저항성) 영역을 형성한 다음에는 상기 열 스폿 영역 밖으로 전자들을 확산시키고, 동시에 전자-광자 에너지 완화 메카니즘을 통해서 전자의 온도를 감소시키는 것에 관련된 냉각 프로세스가 따른다. 상기 냉각 프로세스는 수십 ㎰의 시간이 걸리므로, 냉각 프로세서 결과에 의해 자동으로 열 스폿이 사라지게 되고 SSPD(12)를 가로지르는 초전도 경로가 복구된다. 열 스폿의 형성과 회복 프로세스로 약 30㎰의 고유 진폭을 갖는 펄스 모양의 출력 전압 신호가 나타나게 된다. 상기 전압 펄스의 진폭은 초전도체의 특성과 입사 광자의 에너지에 의해 결정된다. 출력 전압 펄스가 겨우 수십 ㎰의 지속 시간을 갖기 때문에, SSPD(12)(및 본 발명에 따른 다른 SSPD)는 입사 광자 에너지를 시간 분해할 수 있고, 매우 높은 비율(예를 들면, 약 109광자/second)로 도달하는 광자들을 구별할 수 있다.
다시 도 1b를 참조하여, 한 실시예에서 SSPD(12)의 치수(D1)는 약 200㎚이다. 치수(D1)가 200㎚보다 훨씬 넓다면, 바이어싱 전류가 항상 초전도 상태를 유지하고, 그 결과에 따른 열 스폿 주위의 전류 밀도를 초과하지 않고 열 스폿 주위를 흐를 수 있기 때문에 검출 가능한 저항성 영역(도 2d)이 형성되지 않을 수도 있다. 치수(D1)는 매우 높은 에너지(예를 들면, 자외선) 광자의 검출을 위해 증가될 수 있다. 적색에서 단적외선 광자를 검출하기 위해서는 NbN SSPD에 대해 200㎚의 치수(D1)가 적절하다. 협소한 부분의 길이(치수(D2))는 한 실시예에서 2㎛이다. 상기 협소한 부분의 길이는 출력 전압 펄스를 발생시키지는 물리적인 프로세스에 영향을 미치지 않지만, 그 표면적을 변경시켜서, SSPD(12)의 전체 양자 효율에 영향을 미친다. 한 실시예에서, 협소한 부분의 두께는 약 5㎚이다. SSPD의 두께는 열 전자의 열중성자화와 완화 프로세스에 직접적으로 영향을 미치고, 열 스폿의 회복의 원인이 된다. 물론, 명세서에 제공된 치수들과 임계값들은 설명된 실례들(적색과 단적외선 광자를 검출하기 위해 디자인됨)에 대한 특성이므로, 관심있는 광자의 에너지 레벨과 사용된 초전도체에 따라서 변경될 수 있다. 예를 들면, SSPD(12)의 치수는 자외선, 가시광선, 또는 원적외선 스펙트럼 영역의 파장을 갖는 광자들을 검출하도록 변경될 수 있다.
일반적으로, 얇고 협소한 초전도체 스트립이 본 발명에 따른 SSPD로서 사용될 수 있다. 적색과 단적외선 광자를 검출하기 위해, Nb(niobium), Pb(lead), 또는 Sn(tin)과 같은 다른 금속 초전도체(이른바 저온 초전도체)가 D1보다 어느 정도 더 넓은 치수로 제작될 수 있다. 그러나, 이들 다른 금속 초전도체들은 그들의 느린 열 전자 완화 프로세스에 기인한 매우 긴 출력 전압 응답(㎲ 범위에 대해서도 ㎱ 단위임) 때문에, NbN일 때만큼 시간 분해되지 않는다. 최근에 발견된 고온 초전도체, 예를 들면 Y-Ba-Cu-O(yttrium-barium-copper 산화물)는 약 10㎚ 내지 100㎚의 D1 치수를 필요로 하고, 약 1㎰의 응답 시간을 갖는 것으로 예언되었다.
도 1c는 SSPD(12)와 동일한 형태인 초전도 단일 광자 검출기(101)(SSPD, 101)의 평면도를 나타낸다. SSPD(101)는 상부 표면의 면적을 최대화하기 위해 구불구불한 모양을 갖고, 이에 의해 광원으로부터 입사 광자를 수용할 확률이 증가된다. 한 실례에서, SSPD(101)는 약 0.2㎛의 폭(D5), 약 3㎛의 디바이스 길이(D6), 및 약 5㎚의 두께를 갖는 연속적인 NbN막이다. 다른 구불구불한 모양(예를 들면, 지그재그 모양)이 또한 사용될 수 있다.
도 3a-3l은 한 실시예에 따라 제작된, SSPD(12)와 같은 초전도 단일 광자 검출기의 단면도를 나타낸다. 잘 알려져 있고, 제작 공정을 이해할 필요가 없는 단계들은 생략되었다. 또한, 특정 제작 프로세스 파라미터가 제공되지만, 해당 분야에 전문적인 지식을 가진 사람이 SSPD를 만들기 위해 다른 제작 프로세스를 이용할 수 있기 때문에 다른 실시예들은 이에 제한되지 않는다. 도 3a를 참조하여, 반응 마그네트론 스터퍼링에 의해 기판(31) 상에 5㎚ 두께의 NbN막이 퇴적된다. 상기 반응 마그네트론 스터퍼링 프로세스는 하기의 파라미터를 갖는 독일의 Leybold-Herauss에 의해 공급된 LH Z-400 스퍼터링 시스템을 사용하여 실행된다. 사용된 파라미터는 1.3 ×10-6mbar의 잔류 압력, 900℃의 기판 온도, 1.3 ×10-5mbar의 부분 N2압력, 1.3 ×10-3mbar의 부분 Ar 압력, 260V의 방전 전압, 및 300㎃의 방전 전류이다.
예를 들면, 기판(31)은 활성측이 폴리싱된 350㎛ 두께의 사파이어 기판이다. 양쪽이 폴리싱된 125㎛ 두께의 Z-컷 단결정 수정과 같은 다른 기판이 사용될 수도있다. 낮은 마이크로파 손실과 양호한 극저온 특성을 갖는 양질의 유전체 재료가 기판으로서 사용될 수도 있다.
도 3b-3d는 이어지는 포토리소그래피와 전자빔 리소그래피 단계 동안의 NbN(32) 상의 얼라인먼트 구조의 형성을 나타낸다. 도 3b에서, 하기의 파라미터를 사용하는 종래의 포토리소그래피에 의해 NbN(32) 상에 1.0-1.5㎛ 두께의 포토레지스트 마스크(33)가 형성되고 패터닝된다. 파라미터는 AZ 1512 포토레지스트 재료, 3000-5000rps에서의 스피닝(spinning), 및 90℃로 30분간의 베이킹이다. 포토레지스트 마스크(33)를 NbN(32) 위에 배치하기 위해서 KARL SUSS MA-56 얼라이너(aligner)가 사용된다. 이러한 결과의 기판 상에, 이중층 금속화 프로세스를 이용하여 5㎚ 두께의 티타늄층(34)의 상부에 100㎚ 두께의 금박층(35)이 형성된다(도 3c). 실온과 1.5 ×10-5Torr의 잔류 압력에서 진공 증착에 의해 금박층(35)과 티타늄층(34)이 형성된다. 상기 구조를 따뜻한 아세톤에 약 3분 이상 담금으로써 포토레지스트 마스크(33)가 리프트 오프되어, 금박층(35)과 티탄늄(34)을 구성하는 얼라인먼트 구조가 남게 된다(도 3d).
도 3e-3g는 NbN 상의 내부 접촉 패드의 형성을 나타낸다. 도 3e에서, 하기의 파라미터를 사용하여 NbN 상에 종래의 전자빔 리소그래피에 의해 400㎚ 두께의 전자 레지스트 마스크(36)가 형성되고 패터닝된다. 이에 사용된 파라미터는 PMMA 950, 475인 전자 레지스트 재료, 3000rpm에서의 스피닝, 130℃로 10-30분간의 베이킹, 30㎀의 전자빔 노출 전류, 및 25㎸의 전자빔 노출 전압이다. 도 3e와 3g에서치수(D2)(또한 도 1b 참조)로 표시된 전자 레지스트 마스크(36)의 중앙부의 길이는 한 실시예에서 SSPD의 유효 길이를 변경시키기 위해 약 0.15㎛에서 10㎛까지 변화될 수 있다. 전자 레지스트 마스크(36)는 하기의 파라미터를 사용하여 산소 플라즈마 상태에서 세척된다. 이에 사용된 파라미터는 10-2Torr의 O2압력, 10-5Torr의 잔류 압력, 10㎃의 방전 전류, 및 15초의 프로세스 시간이다. 그 다음, 이중층 금속화 프로세스를 이용하여 3㎚ 두께의 크롬층(38)의 상부에 400㎚ 두께의 금박층(37)이 형성된다(도 3f). 실온과 2 ×10-6Torr의 잔류 압력에서 독일의 Leybold-Herauss로부터의 LH-960 e-빔 증착 시스템을 사용해서 진공 증착에 의해 금박층(37)과 크롬층(38)이 형성된다. 그 다음, 전자 레지스트 마스크(36)가 리프트 오프되어 금박층(37)과 크롬층(38)으로 구성된 내부 접촉 패드가 남게 된다(도 3g).
도 3h-3j는 이후의 이온 밀링 프로세스 단계에 대한 "하드(hard)" 마스크인 이산화 실리콘 마스크(SiO2)의 형성을 나타낸다. 도 3h에서, 상기에 언급한 전자 레지스트 마스크(36)를 형성하기 위하여 사용된 것과 동일한 프로세스를 사용하여 NbN(32) 상에 전자 레지스트 마스크(39)가 형성된다. 그 다음, 도 3i에 도시된 바와 같이 SiO2층(41)이 그 위에 진공 증착된다. 전자 레지스트 마스크(39)가 리프트 오프되어, SiO2층(41)으로 구성된 SiO2마스크가 남게 된다(도 3j). 광자에 대해 투명한 SiO2마스크는 SSPD의 폭을 한정한다.
NbN(32)을 바이어스 소스와 같은 외부 장비에 결합하기 위하여, 7-10㎚ 두께의 티타늄층(43)의 상부에 200㎚ 두께의 금박층(42)으로 이루어진 외부 접촉 패드가 도 3k에 도시된 바와 같이 형성된다. 상기 외부 접촉 패드는 금박층(37)과 크롬층(38)을 형성하는데 사용된 것과 동일한 프로세스를 사용하여 형성된다. 그 다음, 상기 외부 접촉 패드와 얼라인먼트 구조체 사이의 NbN(32)의 부분이 아르곤 이온 밀링에 의해 제거되어 SSPD 디바이스으 윤곽이 정해진다(도 3l).
도 4a는 SSPD(12)를 포함하는 펄스 카운터(60)의 블럭도를 나타낸다. 펄스 카운터(60)에서, SSPD(12)는 200㎚의 폭, 1㎛의 길이, 5㎚의 두께를 갖는 NbN막이다. 광원(11)은 광 펄스(16)를 빔 스플리터(62)에 출력하고, 빔 스플리터는 광을 감쇠기(63)와 광검출기(64)로 분할한다. 펄스 카운터(60)에서, 광원은 Coherent Laser Group으로부터의 모드록(modelock)된 IR 레이저인 경우 약 76㎒의 반복도로 짧은 광 펄스를 발생하고, Spectra-Physics(Tsunami laser)로부터의 모드록된 레이저인 경우 약 82㎒의 반복도로 짧은 광 펄스를 발생하는 레이저이다. 또한, 광원은 1㎐에서 3㎑까지 변조되는 GaAs 반도체 레이저일 수 있다. 광원(11)으로부터의 광자의 파장은 이번 실례에서 약 810㎚이다. 다른 실시예에서는 또한 500㎚ 내지 2100㎚의 파장을 갖는 광자로 단일 광자 검출이 이루어졌다. 감쇠기(63)는 SSPD(12) 상에 입사하는 광자의 수를 펄스당 평균 하나의 광자보다 적게 감소시키기 위하여 사용된 일련의 흡수 필터들이다. 예를 들면, 흡수 필터들이 감쇠기에서 제거되거나 감쇠기에 추가되어 각각의 펄스에 하나의 광자를 가질 확률이 0.01이 될 수 있고, 이에 의해 매 100 펄스마다 평균 하나의 광자가 존재하게 될 것이다.
감쇠기(63)를 통과하는 광자들은 종래의 초점 렌즈(65)를 사용하여 SSPD(12) 상에 집속된다. 직류(DC) 바이어스 소스(67)는 광대역 "콜드(cold)" 바이어스-T(66)를 통하여 SSPD(12)에 바이어싱 전류를 공급한다(또한 도 4b에 도시됨). SSPD(12)의 출력 신호는 바이어스-T(66)를 통하여 "콜드" 증폭기(68)에 결합되어, 크라이오스텟(69)의 외부로 전송되기 전에 증폭된다. 크라이오스텟(69)은 SSPD(12)를 그의 임계 온도 이하의 온도로 유지하는 종래의 액체 헬륨 크라이오스텟이다. 종래의 극저온 전력 증폭기인 콜드 증폭기(68)는 약 5 캘빈의 열 등가 노이즈(Tnoise), 1-2㎓의 주파수 범위, 및 30㏈의 게인(Kp)를 갖는다. 바이어스-T(66), 콜드 증폭기(68) 및 SSPD(12)는 일반적으로 크라이오스텟(69) 내에 실장된다. 콜드 증폭기(68)의 출력 신호는 전력 증폭기(70)에 의해 더욱 증폭되어 SSPD(12)의 출력 신호를 단안정 오실로스코프(71)에 의해 검출될 수 있는 레벨로 승압된다. 전력 증폭기(70)는 약 0.2W의 특정 피크 출력 전력, 0.9-2.1㎓의 주파수 범위, 및 32㏈의 게인(Kp)을 갖는다.
종래의 광 검출기(64)는 빔 스플리터(62)로부터 스플릿 오프된 광 펄스를 검출하여, 전력 증폭기(70)로부터 신호를 습득하도록 오실로스코프(71)를 트리거하는 출력 신호를 제공한다. CCD 비디오 카메라(72)는 오실로스코프(71)의 화면을 촬영하고, 그 다음 상기 영상은 분석을 위한 비디오 캡쳐 하드웨어를 사용하여 컴퓨터(73)에 다운로드된다. 오실로스코프(71), CCD 비디오 카메라(72), 및 컴퓨터(73)를 포함하는 데이터 습득 소자들은 기술된 다른 소자들과 마찬가지로 하나의실례이다.
도 4b는 SSPD에 대한 전자 바이어싱 배치를 보다 상세히 나타낸다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 50-Ohm 전송 라인(402)(즉, 전송 라인(402A, 402B, 402C 및 402D))은 SSPD(12)를 바이어스-T(66), DC 바이어스 소스(67) 및 콜드 증폭기(68)에 결합하기 위하여 사용된다. SSPD(12)와 전송 라인(402A) 사이의 결합은 SSPD(12) 하우징의 일부인 종래의 고대역폭 접속 장치(401)를 통해서 이루어진다. 바이어스-T(66)는 도 4b에 인덕터 "L"과 커패시터 "C"로 개략적으로 도시된 AC 포트와 DC 포트를 갖는다. 바이어스-T(66)의 인덕터와 커패시터는 온도에 의존하지 않는 것이 바람직하다. 또한 극저온 온도에서 특정 바이어스-T(66)의 성능을 측정하고, 온도에 따라서 소자값이 어떻게 이동하는지에 기초하여 적절한 성분값을 결정할 수 있다. 이 실례에서의 적절한 성분값은 약 4 캘빈의 온도에서 인덕터 "L"에 대하여 0.2마이크로 헨리(H) 이상, 커패시터 "C"에 대하여 1000㎊ 이상이다. SSPD(12)로부터의 펄스 전압 출력 신호는 바이어스-T(66)의 AC 포트에 인가되고, 전송 라인(402C)을 통해서 크라이오스텟(69)의 외부로 전송되기 전에 콜드 증폭기(68)에 의해 증폭된다. DC 바이어스 소스(67)로부터의 바이어스 전류는 바이어스-T(66)의 DC 포트를 통해서 SSPD(12)에 제공된다. DC 바이어스 소스(67)는 바이어스 전류를 제공하기 위한 가변 DC 전류원(403), 상기 공급된 바이어스 전류를 읽기 위한 전류계(406), 및 SSPD(12)를 가로지르는 전압을 읽기 위한 전압계(407)를 갖는다. 또한, DC 바이어스 소스(67)는 저항성 상태로 전환할 때 SSPD(12)를 가로지르는 전압을 제어하는 가변 전압 리밋(407)을 포함한다. 전압리밋(407)에 대한 전형적인 설정은 약 3㎷ 내지 5㎷이다. SSPD(12)의 임계 전류는 크라이오스텟(69)을 사용하여 SSPD를 그의 임계 온도 이하로 충분히 유지함으로써 결정된다(주위 지구 자계가 충분히 SSPD(12)의 임계 자계 이하라는 것에 주목). 그 다음, SSPD(12)가 초전도 상태에서 저항성 상태로 전이할 때까지 DC 전류원(403)이 조정된다. SSPD(12)를 저항성 상태로 전이하는 바이어스 전류(전류계(406)를 사용하여 읽음)가 임계 전류이다. SSPD(12)는 임계 전류 이하인 바이어스 전류로 정상적으로 동작한다. SSPD(12)에 대한 통상적인 바이어싱 전류의 범위는 40-50㎂이다. 바이어싱 전류는 입사하는 광자가 없는 경우에 SSPD(12)를 잘못하여 저항성 상태로 전이하지 않도록 가능한 임계 전류에 가깝게 설정되는 것이 바람직하다.
도 4c는 4.2 캘빈에서의 SSPD(12)에 대한 전형적인 전류-전압 플롯(plot)을 나타낸다. 도 4c에서, 수직축은 전류계(406)에 의해 측정된, SSPD(12)를 통과하는 DC 바이어스 전류(㎂)를 나타내고, 반면 수평축은 전압계(405)(도 4b)에 의해 측정된, SSPD(12)를 가로지르는 DC 전압 강하를 나타낸다. 도 4c에 나타낸 바와 같이, SSPD(12)의 임계 전류는 약 45㎂이다. 바이어스 전류가 임계 전류 이하에 있는 동안, SSPD(12)는 0㎷에서 시작하는 수직 트레이스에 의해 표시된 초전도 상태를 유지한다. 비록 SSPD(12)를 통과하는 바이어싱 전류가 40㎂이지만, SSPD(12)가 초전도 상태에 있는 동안 SSPD(12)를 가로지르는 전압은 0㎷에서 유지된다(SSPD(12)는 초전도체이고, 초전도 상태에서 제로 저항을 갖기 때문임). 따라서, SSPD(12)는 정상 상태 하에서 동작점 "A" 에 유지된다. SSPD(12)가 광자를 흡수할 때,SSPD(12)는 저항성 상태가 될 수 있고, 이에 의해 SSPD(12)를 통과하는 전류가 하락하고 SSPD를 가로지르는 전압이 상승하게 된다. 이것은 SSPD(12)의 동작점을 도 4c의 "A"에서 "준안정 영역"으로 표기된 점선 트레이스 상의 "B"로 이동시킨다. 점 "A"와 "B"는 50-Ohm 로드(load) 실선에 의해 연결되고, 이는 SSPD(12)에 제공된 50-Ohm의 임피던스를 나타낸다. 준안정 영역과 정규 저항 영역 사이의 분리점은 50-Ohm의 로드 트레이스 곱하기 임계 전류값에 대응하는 전압 레벨이고, 이는 도 4c의 실례에서 2.25㎷(즉, 45㎂ ×50Ω= 2.25㎷)가 된다. 광자를 흡수한 이후 단시간 동안(수십 ㎰ 동안), SSPD(12)의 동작점은 점 "B" 상에 유지된다. 그후, SSPD(12)의 동작점은 점 "A"로 복귀된다. 도 4c에 도시된 실례에서 SSPD(12)를 통과하는 전류가 약 45㎂에서 약간 증가되는 경우, 바이어스 전류는 임계 전류를 초과하게 될 것이고, 이에 의해 SSPD(12)의 동작점은 "정규 저항 영역"으로 표기된 트레이스 상의 점"C"로 이동하게 된다. 동작점 "C"에 있는 동안, SSPD(12)의 바이어서 전류가 임계 전류 이하로 낮아질 때까지 SSPD(12)는 저항성 상태로 유지될 것이기 때문에 광자 검출이 불가능하게 된다. 점 "C" 상에서 SSPD(12)를 가로지르는 전압은 전압 리밋(407)의 설정에 의해 제한되고, 이번 실례에서 설정값은 3㎷이다.
하기에 기술되는 바와 같이, 단일 광자 검출은 흡수된 광자의 수에 대해 선형 의존성을 필요로 한다. 레이저 펄스당 흡수된 m개의 광자의 평균수에 대하여, 주어진 필스로부터 n개의 광자를 흡수할 확률은이고,
m≪1일 때,이다. 도 4a에 도시된 장치에 대하여, m≪1는SSPD(12) 상에 입사하는 광자의 수를 펄스당 평균 1보다 적은 수로 감소되도록 감쇠기(63)를 조정하여 이루어질 수 있다. 상기한 바에 의해, 펄스당 1개의 광자를 흡수할 확률은이다. 펄스당 2개의 광자를 흡수할 확률은이다(물론, P(2)는 동일 시간에 초전도 막 상의 동일 스폿 상에서 2개의 광자를 흡수할 확률이다. 그렇지 않으면, 2개의 광자는 두개의 단일 광자로 카운트될 것이다). 펄스당 3개의 광자를 흡수할 확률은이다. 따라서, m≪1에 대하여, 펄스당 하나의 광자를 검출할 확률은 m에 비례하고, 2개의 광자를 검출할 확률은 m2에 비례하며, 3개의 광자를 검출할 확률은 m3에 비례한다.
도 5는 한 실시예에서 출력 전압 펄스를 발생하는 SSPD(12)의 확률의 플롯을 나타낸다. 도 5에서, 수직축은 긴 시간 기간 동안 펄스 카운터(60)에 의해 검출된 광 펄스의 수에 기초하여 단일 광 펄스에서 하나의 광자를 검출할 SSPD(12)의 확률을 나타낸다. 하부 수평축은 SSPD(12) 상에 집속된 각각의 광 펄스의 평균 에너지(fJ)를 나타내고, 상부 수평축은 실험 상의 SSPD(12)의 면적인 0.2 ×1㎛2당, 광 펄스당 계산된 대응하는 입사 광자의 수를 나타낸다. 임계 전류(IC)는 약 45㎂인 것으로 실험적으로 결정되었다.
트레이스(501)는 0.95 IC(즉, 임계 전류의 95%)로 바이어스된 SSPD(12)에 해당한다. 트레이스(501)는 펄스당 평균 광자의 수에 대한 검출 확률의 1차 의존성을 나타내고, 단일 광자 검출을 가리킨다. 트레이스(502)는 0.9 IC로 바이어스된 SSPD(12)에 해당한다. 트레이스(502)는 펄스당 평균 광자의 수에 대한 검출 확률의 2차 의존성을 나타내고, 2개의 광자 검출을 가리킨다. 또한, SSPD(12)의 바이어스 전류를 0.7 IC로 감소시키면 그 결과가 트레이스(503)가 된다. 트레이스(503)은 펄스당 광자의 수에 대한 검출 확률의 3차 의존성을 나타내고, 3개의 광자 검출을 가리킨다. 상기한 바에 의해, SSPD(12)의 바이어스 전류를 그의 임계 전류에 가깝게 설정함으로써 단일 광자 검출이 이루어질 수 있다.
도 6a는 SSPD(12)의 대표적인 출력 신호의 파형을 나타낸다. 검출된 입사 광자에 해당하는 펄스(81)는 배경 노이즈와 쉽게 구별된다. 도 6b의 확대도에 도시한 바와 같이, 펄스(81)는 약 100㎰의 반치전폭(FWHM)를 갖는다. 펄스(81)의 대역폭은 SSPD(12)에 의해서가 아니라 사용된 데이터 습득 장비의 대역폭에 의해 제한되었다. 도 6a와 6b에서, 수직축은 임의의 전압 단위이고, 반면 수평축은 ㎱ 단위이다. 본 실시예에 따른 SSPD는 종래의 데이터 습득 기술을 이용해서 쉽게 판독되는 출력 전압 펄스를 제공함으로써 검출 프로세스를 단순화한다.
상기 검출된 광자의 에너지에 대한 분광 정보는 또한 SSPD의 출력 신호의 모양을 분석함으로써 얻어질 수 있다. 열 전자는 하나의 광자가 SSPD에 의해 흡수될 때 생성되어 이른바 쿠퍼 쌍(Cooper pair)을 깨뜨린다. 열 전자는 SSPD 내의 다른 쿠퍼 쌍과 충돌하고, 이에 의해 상기 쿠퍼 쌍이 쪼개지고 더 많은 열 전자가 생성된다. 쪼개진 쿠퍼 쌍의 수는 입사 광자의 에너지에 비례하고, 출력 전압 펄스의모양은 열 전자의 수에 좌우되기 때문에, 출력 전압 펄스의 모양은 입사 광자의 에너지에 따라 달라진다. 예를 들면, SSPD(12)의 출력 전압 펄스를 시간의 함수로서 적분하여 입사 광자 에너지와 상기 펄스의 적분 사이의 관계를 알 수 있다.
도 7은 한 실시예에서 오실로스코프(71)(도 4a)에 의해 캡쳐된 트레이스를 나타낸다. 트레이스(701)는 빔 스플리터(62)로부터 수신된 광 펄스를 검출하는 순간의 광검출기(64)의 출력 신호를 나타낸다. 트레이스(702)는 광 펄스당, 디바이스 면적당 평균 100개의 입사 광자에 대응하는 입사 광 펄스 전력에 대한 SSPD(12)의 증폭된 출력 신호를 나타낸다. 상기 경우에, 각각의 입사 광 펄스에 대하여 출력 전압 펄스를 발생시킬 SSPD(12)의 확률은 100%이다. 트레이스(703)는 펄스당, 디바이스 면적당 평균 40개의 광자에 대응하는 입사 광 펄스 전력에 대한 SSPD(12)의 증폭된 출력 신호를 나타낸다. 동일하게, 트레이스(704, 705, 706, 707 및 708)는 펄스당, 디바이스 면적당 평균 10, 5, 5, 1 및 1개의 광자에 대응하는 입사 광 펄스 전력에 대한 SSPD(12)의 증폭된 출력 신호를 각각 나타낸다. 트레이스(707과 708)는 SSPD(12)가 단일 광자를 검출하기에 충분한 감도를 갖고 있음을 나타낸다. 또한 트레이스는 상기 검출된 펄스가 흡수된 광자의 수에 관계없이 거의 동일한 모양과 크기를 갖는다는 것을 나타낸다.
도 8a-8c는 광을 SSPD에 결합하기 위한 다양한 배치 형태를 나타내는 다이어그램이다. 도 8a-8c는 개략적인 표현으로 축척이 표시되지 않았다는 것에 주목하자(예를 들면, 실제로 SSPD(12)는 그의 기판과 비교해서 실질적으로 제로의 두께를 갖는다). 도 8a에서, 입사광 빔(16)은 반구 렌즈(803)의 앞에 있는 개구 다이어프램(802)을 통과한다. SSPD(12)의 기판(823)은 광 확장 장치의 기능을 하고, 반구 렌즈(803)에 직접 접합된다. 광 빔(16)은 반구 렌즈(803)와 기판(823)을 통과하여 SSPD(12) 상에 집속된다. 반구 렌즈(803)와 기판(823)은 개구 다이어프램(802)의 직경이 최대화될 수 있도록 동일한 재료로 구성되는 것이 바람직하다. 또한, SSPD(12)에는 반구 렌즈(803)를 연장함으로써 광 빔을 직접 마주보는 초전도 막(기판(823)의 다른 쪽 끝)이 장착될 수 있다. 도 8b에서, SSPD(12)는 단일 모드 또는 다중 모드 광섬유(805)로부터 입사광 빔을 수신한다. SSPD(12)에 의해 흡수되지 않은 광은 기판(823)을 통과하여, 광이 반사면(807)으로부터 반사되어 SSPD(12) 상에 집속되는 거울(806)로 입사된다. 도 8c에서, 입사하는 자유 전파 광 빔(16)은 반반사 코팅(808), 기판(823), 및 수정(또는 적외선 응용 실리콘) 포물선 렌즈(810)를 통과한다. 광 빔(16)은 반사면(811)에서 반사되어 SSPD(12) 상에 집속된다.
본 발명의 특정 실시예가 설명되었지만, 이들 실시예는 설명을 위한 것이고 이에 제한되지 않는 다는 것을 이해할 것이다. 해당 분야의 통상적인 지식을 가진 사람들에 의해 본 발명의 광범위한 원리 내에 있는 많은 추가적인 실시예들이 분명해질 것이다.
상기한 바와 같이 광검출기를 구성함으로써 가시광선에서 원적외선 스펙트럼 영역까지의 파장을 갖는 광자에 대해 양호한 양자 효과를 갖는 초전도 단일 광자 검출기를 제공할 수 있다.

Claims (15)

  1. 초전도체 스트립을 제공하는 단계,
    상기 초전도체 스트립을 전기적으로 바이어싱하는 단계, 및
    상기 바이어싱된 초전도체 스트립 상으로 광을 인도하는 단계를 포함하고,
    상기 바이어싱은 상기 초전도체 스트립의 임계 전류에 가까운 레벨이고, 이에 의해 상기 초전도체 스트립 상에 입사하는 단일 광자를 검출하는 것을 특징으로 하는 광자를 검출하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단일 광자는 상기 초전도체 스트립으로부터의 출력 펄스를 측정함으로써 검출되는 것을 특징으로 하는 광자를 검출하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 초전도체 스트립은 질화 니오븀(niobium nitride)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 광자를 검출하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 단일 광자는 가시광선과 원적외선 스펙트럼 영역 사이의 파장을 갖는 것을 특징으로 하는 광자를 검출하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 초전도체 스트립은 구불구불한 모양을 갖는 것을 특징으로 하는 광자를 검출하는 방법.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 초전도체 스트립은 약 200㎚ 이하의 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 광자를 검출하는 방법.
  7. 바이어스 소스에 결합된 초전도 막을 포함하고,
    상기 초전도 막은 임계 전류 가까이에서 바이어싱되고, 상기 초전도 막은 단일 입사 광자를 검출할 수 있는 치수를 갖는 것을 특징으로 하는 광자 검출기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 초전도 막은 질화 니오븀으로 이루어진 것을 특징으로 하는 광자 검출기.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 초전도 막의 폭은 약 200㎚ 이하인 것을 특징으로 하는 광자 검출기.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 초전도 막은 상기 단일 입사 광자를 흡수하자마자 검출 가능한 저항성 영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 광자 검출기.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 초전도 막의 종단에 결합된 복수의 접촉 패드를 추가로 포함하고,
    상기 바이어스 소스는 상기 복수의 접촉 패드에서 상기 초전도 막에 결합되는 것을 특징으로 하는 광자 검출기.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 초전도 막은 구불구불한 모양을 갖는 것을 특징으로 광자 검출기.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 접촉 패드는 금을 포함하는 것을 특징으로 하는 광자 검출기.
  14. 제 7 항에 있어서,
    광섬유를 이용하여 광이 상기 초전도 막에 결합되는 것을 특징으로 하는 광자 검출기.
  15. 제 7 항에 있어서,
    광은 반구 렌즈를 통해서 상기 초전도 막에 결합되는 것을 특징으로 하는 광자 검출기.
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