KR20220073700A - 병렬 연결된 복수의 초전도성 검출 수단을 이용한 단일 광자 검출 장치 및 시스템 - Google Patents

병렬 연결된 복수의 초전도성 검출 수단을 이용한 단일 광자 검출 장치 및 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20220073700A
KR20220073700A KR1020217039307A KR20217039307A KR20220073700A KR 20220073700 A KR20220073700 A KR 20220073700A KR 1020217039307 A KR1020217039307 A KR 1020217039307A KR 20217039307 A KR20217039307 A KR 20217039307A KR 20220073700 A KR20220073700 A KR 20220073700A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
current
superconducting
detection means
detection
photon
Prior art date
Application number
KR1020217039307A
Other languages
English (en)
Inventor
마티유 페레누
펠릭스 뷔시에르
미사엘 칼로즈
Original Assignee
유니베르시떼 드 제네브
아이디 퀀티크 에스.에이.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 유니베르시떼 드 제네브, 아이디 퀀티크 에스.에이. filed Critical 유니베르시떼 드 제네브
Publication of KR20220073700A publication Critical patent/KR20220073700A/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44—Electric circuits
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/4228—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors arrangements with two or more detectors, e.g. for sensitivity compensation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/20—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices
    • H01L39/10—
    • H01L39/16—
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00—Superconducting devices
    • H10N60/30—Devices switchable between superconducting and normal states
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00—Superconducting devices
    • H10N60/80—Constructional details
    • H10N60/84—Switching means for devices switchable between superconducting and normal states
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44—Electric circuits
    • G01J2001/4413—Type
    • G01J2001/442—Single-photon detection or photon counting
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/20—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices
    • G01J2005/208—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices superconductive

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

본 발명은 적어도 2개의 초전도성 검출 수단(1)과 바이어스 전류원(2), 필터 소자(3) 및 판독 회로(4)를 포함하는 단일 광자 검출 장치에 관한 것으로, 각각의 초전도성 검출 수단(1)은 입사 광자의 흡수에 적합한 검출 영역을 형성하고 병렬로 연결되며, 각각의 초전도성 검출 수단(1)은 임계 온도(TC) 미만의 온도에서 유지되고 정상적인 비-저항성 초전도 상태에서 유지되도록 임계 전류(IC)에 근접한 또는 임계 전류 미만에 위치한 전기 바이어스 전류(IB)가 제공되고, 광자 흡수 시 임계 전류(IC) 초과의 초전도성 검출 수단(1) 내 전류 밀도 증가로 인해 비저항성 초전도 상태에서 저항성 상태로 전이하도록 구성되고, 상기 판독 회로(4)는 임의의 상기 초전도성 검출 수단(1)에 의한 입사 광자의 각각의 흡수에 대한 사건 신호를 생성할 수 있도록 상기 초전도성 검출 수단(1)의 저항성 상태로의 전이에 대응하는 전압 변화를 감지하도록 구성된다. 상기 장치는 임계 전류(IC) 위의 전류 밀도가 증가하는 입사 광자를 흡수하지 않은 임의의 초전도성 검출 수단(1)을 피하도록, 상기 초전도성 검출 수단(1) 중 어느 하나에 의한 입사 광자의 흡수 후에 발생하는 전류를 상기 전류 재분배 장치로 적어도 부분적으로 재분배하도록 구성된 적어도 하나의 전류 재분배 수단(5)을 더 포함한다는 사실에 의해 자체적으로 구별된다. 본 발명은 또한 적어도 2개의 그러한 장치를 포함하는 단일 광자 검출을 위한 시스템에 관한 것이다.

Description

병렬 연결된 복수의 초전도성 검출 수단을 이용한 단일 광자 검출 장치 및 시스템
본 발명은 단일 광자 검출(single photon detection)을 위한 장치(device)에 관한 것으로, 이 장치는 바이어스(bias) 전류원(current source), 필터 소자, 및 판독 회로뿐만 아니라 적어도 2개의 초전도성 검출 수단을 포함하며, 각각의 초전도성 검출 수단은 입사 광자의 흡수에 적합한 검출 영역을 형성하고, 상기 필터 소자의 매개체(intermediate)에 의해 상기 바이어스 전류원에 그리고 상기 판독 회로에 병렬로 연결되고, 각각의 초전도성 검출 수단은 임계 온도 미만의 온도에서 유지되고, 상기 바이어스 전류원은 각각의 초전도성 검출 수단에 각각의 초전도성 검출 수단을 비저항성(non-resistive) 초전도 상태로 정상적으로 유지하기 위해 초전도성 검출 수단의 임계 전류에 근접하거나 그 미만에 위치하는 전기 바이어스 전류가 제공되고, 입사 광자의 흡수의 경우, 각 초전도성 검출 수단이 상기 비저항성 초전도 상태로부터 저항성 상태로 전이되도록 구성되고, 상기 판독 회로는 상기 초전도성 검출 수단 중 어느 하나에 의한 입사 광자의 각각의 흡수에 대한 이벤트 신호를 생성할 수 있도록 하는 것과 같이 초전도성 검출 수단을 그의 저항성 상태로의 상기 전이에 대응하는 전압 변화를 감지하도록 구성된다.
일반적으로, 본 발명은 단일 광자 검출을 위한 기술 및 장치에 관한 것이다. 오늘날에는 양자 키(quantum key) 분배, 광학 자유-공간 통신, 또는 광학 전파 시간(Time-of-Flight; TOF) 측정 기술과 같은 많은 응용 분야가 있으며, 예를 들면, 광 영역 반사 측정법(Optical Time-Domain Reflectometry; OTDR) 또는 광 탐지 및 거리 측정기(Light Detection and Ranging; LIDAR)에는 고효율, 높은 검출율, 낮은 타이밍 지터 및 낮은 노이즈를 갖춘 단일 광자 검출기가 필요하다. 초전도 나노와이어 단일 광자 검출기(SNSPD)는 이러한 모든 응용 분야에서 우수한 성능을 달성할 수 있다.
이러한 맥락에서 SNSPD의 가장 간단한 구현은 바이어스 전류원 및 해당 판독 전자 장치에 연결된 단일 미앤더(single meander)를 형성하는 초전도 나노와이어를 기반으로 하는 것으로 공지되어 있다. 이러한 기존의 단일 미앤더 SNSPD의 검출율은 복구 시간, 즉 광자 검출 또는 오류 계수(false count)후 검출기가 단일 광자의 검출에 다시 민감해지는 데 필요한 시간으로 인해 제한된다. 짧은 복구 시간은 검출기가 하드웨어 정의 복구 시간 동안 광자 검출을 위해 비활성화된다는 점을 감안할 때 검출기가 주어진 시간 기간에 더 많은 광자를 검출할 수 있음을 의미한다는 것이 당업자에게 명확하다.
단일 미앤더 SNSPD의 복구 시간은 나노와이어의 길이에 따라 단조롭게 증가하는 키네틱(kinetic) 인덕턴스와 직접적으로 관련되어 있다는 것도 당업자에게 공지되어 있다. 따라서, 단일 미앤더 SNSPD의 키네틱 인덕턴스를 줄이면 복구 시간이 줄어들고 검출율이 높아진다. 이것은 복구 시간의 추가 감소를 방지하는, 소위 래칭 효과(latching effect)가 나타날 때까지 실현 가능하다. 래칭 효과는 나노와이어가 주변 물질과 열 접촉을 통해 냉각되는 속도에 비해 복구 시간이 너무 짧으면 나노와이어가 저항성 상태로 들어가 저항성 상태에 빠지게 하는 전열 피드백 메커니즘에 의해 발생한다.
SNSPD의 복구 시간은 단일 미앤더 나노와이어를 더 작은 나노와이어 섹션으로 분할하고 각각을 바이어스 전류원 및 판독 전자 장치에 병렬로 연결하여 더 줄일 수 있다. 실제로, 전체 나노와이어 검출 영역이 동일하게 유지된다면, 병렬로 연결된 나노와이어 미앤더 섹션을 갖는 SNSPD의 각각의 나노와이어 섹션은 대응하는 단일 미앤더 SNSPD의 나노와이어보다 짧고, 따라서 상기 나노와이어 섹션 각각은 더 작은 복구 시간을 갖는다. 섹션을 병렬로 연결함으로써, 단일 판독 전자 회로를 통해 섹션 중 하나가 광자에 의해 타격되었는지, 즉 섹션이 광자의 흡수로 인해 저항성이 되었는지 결정할 수 있다. 주어진 섹션의 복구 시간 동안, 각각의 다른 섹션은 여전히 다른 광자를 검출하는 데 사용할 수 있으므로, 전체 장치가 여전히 광자를 검출할 준비가 되어 있다. 이것은 또한 동일한 전체 나노와이어 검출 영역을 갖는 단일 미앤더 SNSPD와 비교하여 전체 장치의 유효 복구 시간을 줄일 수 있다.
그러나, 나노와이어 섹션이 병렬로 연결된 이러한 SNSPD는 연결된 섹션 사이의 전류 누화(Cross-talk)의 문제가 있다. 사실, 나노와이어 섹션 중 하나에서 광자 흡수가 발생할 때마다, 이 섹션을 처음 통과하는 전류는 물론 검출 신호를 생성하는 판독 전자 장치로 뿐만 아니라 자동으로 실수로, 다른 섹션들 사이에서도 부분적으로 재분배된다. 다른 섹션 사이에서 광자 흡수 후 발생하는 전류의 재분배는 특히 여러 나노와이어 섹션이 광자에 의해 거의 동시에, 즉 각각의 복구 시간 내에 타격을 받는 경우 높은 검출율에서 문제가 될 수 있으며 이는 다른 섹션에서 전류 누적(pile-up) 효과를 생성할 수 있기 때문이다. 이 전류 누적 효과는 주어진 섹션의 전류가 자체 로컬 임계 전류에 가깝거나 더 큰 경우 다른 나노와이어 섹션이 자체적으로 저항성이 될, 즉, 광자를 흡수하지 않으면서, 확률을 증가시킬 수 있다. 이것은 나머지 나노와이어 섹션의 누적 효과를 더욱 강조하고 궁극적으로 래칭 상태(latched state), 즉 모든 섹션이 저항성 상태에 있고 어느 것도 총 전류가 전자적으로 0으로 재설정되었다가 다시 느린 작동인 공칭 값으로 재설정되지 않는 한 초전도 상태로 복구할 수 없는 상태에서 완전히 비활성화된 검출기로 이어지는 캐스케이드(cascade)를 생성할 수 있다. 따라서, 높은 검출율을 위해 병렬로 연결된 SNSPD의 가능성은 전류 누화와 해당 전류 누적 및 캐스케이딩 효과에 의해 심각하게 제한된다.
일반적으로, 높은 검출율을 어느 정도 허용하는 SNSPD를 실현하기 위한 상이한 해법이 종래 기술에 공지되어 있다. 예를 들어, 다중-픽셀(pixel) 설계의 검출기는 칩(chip)상에 서로 통합된 여러 개의 독립적인 SNSPD를 사용한다. 이 해법은 여러 나노와이어 섹션을 병렬로 연결하는 대신, 서로 독립적으로 작동하도록 각각의 검출기 픽셀에 대해 별도의 동축 라인과 판독 회로를 사용한다. 저온 유지 장치에 통합되어야 하는 전용 동축 라인과 각각의 나노와이어 섹션에 대한 전용 판독 회로가 필요하기 때문에, 이 해법은 비용이 많이 들고 비실용적일 수도 있으며, 이는 예를 들어, 차지하는 용적이 상대적으로 높기 때문이다.
러시아 특허 제 RU 2 327 253호는 병렬로 연결된 여러 나노와이어 섹션뿐만 아니라 상기 섹션 각각에 대해 해당 섹션과 직렬로 연결된 저항을 갖는 SNSPD를 개시한다. 위에서 언급한 전류 누화 및 대응하는 전류 누적 및 캐스케이딩 효과(cascading effect)는 상기 저항기의 추가에 의해 부분적으로 제한된다. 각각의 나노와이어 섹션의 복구 시간은 또한 전체 검출기를 일시적으로 비활성화할 수 있는 상기 캐스케이딩 효과에 의해 지시된 특정 한계까지 상기 섹션과 직렬로 연결된 저항기의 값을 증가시킴으로써 단축될 수 있다. 이 해법을 사용하면 각각의 섹션의 복구 시간을 개별적으로 제어할 수 있지만 이 장치가 높은 계수 속도에서 래칭되기 때문에 특히 높은 검출율에서 전류 누화 문제를 완전히 해결하는 데 적합하지 않다.
중국 특허 출원 CN 106 289 515호는 자체 이득 구조를 갖는 단일 미앤더 SNSPD를 개시하고 있다. 이를 위해, SNSPD는 광자에 노출된 단일 미앤더 나노와이어 옆에 광자에 노출되지 않은 또 다른 나노와이어를 포함하며, 두 나노와이어는 병렬로 연결된다. 단일 미앤더 나노와이어는 광자를 검출하는 데 사용되는 반면, 노출되지 않은 나노와이어는 단일 미앤더 나노와이어를 타격하는 광자에 의해 유도된 펄스 신호의 증폭에 사용되어 출력 신호의 진폭을 증가시킨다. 보다 구체적으로, 노출되지 않은 나노와이어는 단일 미앤더 SNSPD의 신호 대 잡음비를 개선하는 것을 목표로 하는 소위 SNAP-SNSPD 장치에 내부 이득 메커니즘을 제공하는 데 사용된다. 광자에 노출된 단일 미앤더 나노와이어 옆에 노출되지 않은 나노와이어를 사용함에도 불구하고, CN 106 289 515호에 따른 장치는 여전히 단일 미앤더 SNSPD로서 적합하게 되어야 하며, 이의 추가 구조는 신호 대 잡음비 개선만 허용하여 SNSPD의 단일 미앤더의 펄스 신호를 증폭하는 반면, 나머지를 위한 장치는 특히 전류 누화와 관련된 위에서 언급한 문제와 관련하여 다른 공지된 단일 미앤더 SNSPD와 동일한 단점을 겪고 있다. 사실, 펄스 신호의 상기 증폭을 수행하기 위해, CN 106 289 515호에 따른 장치의 추가 구조는 광자에 노출된 나노와이어에서 광자 검출로 인한 전류 증가를 지원할 수 없도록 설계되어야 한다. 이것은 광자에 노출된 나노와이어의 폭의 N배와 엄격하게 동일하고 광자에 노출된 나노와이어의 인덕턴스 및 저항 값의 1/N배를 갖는 노출되지 않도록 나노와이어의 폭을 선택함으로써 달성된다. 따라서, CN 106 289 515호에 따른 장치의 노출되지 않은 나노와이어는 광자에 노출된 나노와이어에서 광자 검출 이후에 발생하는 상기 노출되지 않은 나노와이어의 전류 밀도가 지지할 수 있는 임계 전류 밀도 위로 상승하도록 특별히 설계되어, 노출되지 않은 나노와이어가 저항성이 되어 궁극적으로 출력 신호의 진폭을 증가시키는 데 기여한다. 그러나, 동일한 이유로, CN 106 289 515호에 따른 구성 원칙에 따른 장치는 해결에 적합하지 않으며 오히려 현재의 누화와 관련된 위에서 언급한 문제에 기여한다.
따라서, 초전도 나노와이어 단일 광자 검출기를 사용하여 단일 광자 검출을 위한 종래 기술에 따른 해법은 여전히 여러 결점에 의해 영향을 받는다. 본 발명의 목적은 위에서 언급한 어려움을 적어도 부분적으로 극복하고 고효율, 높은 검출율, 낮은 타이밍 지터 및 낮은 노이즈를 갖는 단일 광자 검출 장치를 실현하는 것이다. 상기 장치는 전류 누화 및 대응하는 전류 누적 및 캐스케이딩 효과로 인한 종래 기술 장치의 단점을 피하면서 동시에 높은 효율을 유지함으로써 높은 검출율에 특히 적합해야 한다. 또한, 이 장치는 광학 시간 영역 반사 측정법(Optical Time-Domain Reflectometry; OTDR), 광파탐지 및 거리 측정기(Light Detection and Ranging; LiDAR), 양전자 방출 단층 촬영(positron emission tomography; PET) 스캐너 및 TOF 카메라와 같은, 양자 키 분배, 광학 자유 공간 통신, 및 전파 시간(TOF) 측정 분야의 응용 분야에 적합하여야 한다. 동시에, 장치는 비교적 적은 부피를 차지해야 하며 불필요하거나 값비싼 구성요소를 요구하지 않고 지속 가능한 비용으로 생산이 가능해야 한다.
이를 위해, 본 발명은 청구항 1에 열거된 특징부를 특징으로 하는 장치를 제안한다. 특히, 본 발명에 따른 장치는 임계 전류 초과의 전류 밀도로 증가하는 입사 광자를 흡수하지 않는 어느 하나의 초전도성 검출 수단을 회피하는 것과 같이, 상기 전류 재분배 수단으로 상기 초전도성 검출 수단에 의한 입사 광자의 흡수 후 발생하는 전류를 적어도 부분적으로 재분배하도록 구성된 적어도 하나의 전류 재분배 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이들 특징은 특히 종래 기술의 장치에 상기 전류 재분배 수단에 의해 구현된 보충 구조를 추가함으로써 위에서 식별된 목적을 달성하는 것을 허용한다. 실제로, 초전도성 검출 수단 사이에 누화 후에 발생하는 전류를 장치 내부에 배치된 상기 전류 재분배 수단에 분배함으로써, 각각 전류 누화 및 해당 전류 누적 및 캐스케이딩 효과를 방지하도록 감소시킬 수 있다. 따라서 상기 장치는 장치의 높은 효율을 동시에 유지하면서 종래 기술에 비해 더 높은 검출율로 작동할 수 있다.
본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 전류 재분배 수단은 모든 초전도성 검출 수단이 저항성 상태에 있는 경우에도 초전도를 유지하기에 충분한 전류를 지원하도록 구성된다. 또한, 전류 재분배 수단의 치수는 각각의 키네틱 인덕턴스를 선택하도록 선택될 수 있다. 전류 재분배 수단은 입사 광자에 노출되지 않도록 장치 내부에 배열될 수 있거나 기하 구조, 특히 폭 및/또는 두께를 가지므로 이에 노출될 때 조차 그것이 광을 검출하는 것을 방지할 수 있다. 본 발명에 따른 장치는 제어된 방식으로 바이어스 전류를 장치의 다른 부분으로 분할할 수 있도록 전류 재분배 수단에 각각 초전도성 검출 수단에 직렬로 연결된 적어도 하나의 제어 소자를 더 포함한다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은 종속항 및 도면을 참조하여 아래에서 본 발명을 보다 상세하게 개시하는 설명에서 언급된다.
첨부된 도면은 본 발명의 원리 및 몇몇 실시예뿐만 아니라 일부 공지된 종래 기술의 장치를 예시적이고 개략적으로 예시한다.
도 1a 내지 도 1f는 본 발명과 관련된 종래 기술을 도시하며; 특히, 도 1a는 바이어스 전류원 및 대응하는 판독 전자 장치에 연결된 단일 미앤더를 형성하는 초전도 나노와이어를 기반으로 하는 SNSPD의 종래 기술에 따른 가장 간단한 구현을 개략적으로 도시하고; 도 1b는 도 1a의 SNSPD의 구현과 등가인 전자 회로를 개략적으로 도시하고; 도 1c는 바이어스 전류원 및 대응하는 판독 전자 장치에 병렬로 연결된 여러 나노와이어 섹션을 포함하는 SNSPD의 구현과 등가인 전자 회로를 개략적으로 도시하고; 도 1d는 여러 개의 독립적인 SNSPD를 사용하는 다중-픽셀 설계의 단일 광자 검출기의 구현을 개략적으로 도시하고; 도 1e는 바이어스 전류원 및 대응하는 판독 전자 장치에 병렬로 연결된 여러 나노와이어 섹션을 포함하는 SNSPD의 구현을 개략적으로 도시하며, SNSPD는 상기 섹션 각각에 대해 대응하는 나노와이어 섹션과 직렬로 연결된 저항기를 더 포함하고; 도 1f는 광자 흡수 시 도 1e의 장치 거동에 대한 수치 시뮬레이션을 보여준다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 단일 광자 검출을 위한 장치 및 시스템의 구조를 도시하고; 특히, 도 2a는 본 발명에 따른 단일 광자 검출을 위한 장치의 제1 실시예를 개략적으로 도시하고; 도 2b는 본 발명에 따른 단일 광자 검출을 위한 장치의 제2 실시예를 개략적으로 도시하고; 도 2c는 본 발명에 따른 여러 장치를 포함하는 단일 광자 검출을 위한 시스템의 구조를 개략적으로 도시한다.
도 3a 내지 도 3c는 부분적으로 종래 기술의 장치와 비교하여, 본 발명에 따른 단일 광자 검출을 위한 장치의 장점을 도시하고; 특히, 도 3a는 감광 섹션 중 하나에 의한 입사 광자의 흡수에 따른 본 발명에 따른 장치의 전류 누화의 수치 시뮬레이션 결과를 도시하고; 도 3b는 거의 동일한 광학적으로 민감한 영역을 커버하는, 본 발명에 따른 단일 광자 검출을 위한 장치와 종래의 단일 미앤더 SNSPD의 초당 검출된 광자 수에 따른 검출율의 비교를 도시하고; 도 3c는 거의 동일한 광학적으로 민감한 영역을 커버하는, 본 발명에 따른 단일 광자 검출 장치와 기존 단일 미앤더 SNSPD의 초당 검출된 광자 수에 따른 광자당 평균 검출 효율의 비교를 보여준다.
이하에서, 본 발명은 상기 언급된 도면을 참조하여 상세히 설명될 것이다.
본 발명은 입사 광자에 대한 흡수 영역을 갖는 초전도성 검출 수단을 형성하는 초전도 물질에 기초한 단일 광자 검출 장치에 관한 것이다. 설명의 나머지 부분이 주로 초전도 나노와이어에 의해 초전도성 검출 수단이 구현되는 경우를 다루도록, 이것은 이러한 목적에 적합한 모든 유형의 초전도성 검출 수단, 예를 들어, 당업자에게 공지된 임의의 종류의 적절한 물질의 초전도 스트립 및/또는 적절한 형상 및 두께의 초전도 필름 또는 코팅과 유사하게 확장되는 해당 설명의 범위를 제한하지 않는다. 따라서 사용되는 언어의 단순화를 이유로 다음 설명에서는 "초전도성 검출 수단(superconducting detection means)", "초전도 나노와이어(superconducting nanowire)" 및 "초전도성 나노와이어 섹션(superconducting nanowire section)"이라는 용어를 평등하게 널리 사용할 것이며, 다시 모든 종류의 적절한 초전도 물질과의 유사성에 의해 확장하는 해당 설명의 범위를 제한하지 않는다.
이러한 맥락에서, 도입부에서 간단히 언급되고 본 발명의 기초가 되는 기술적 문제를 더 잘 이해하기 위해, 다음의 설명은 특히 도 1a 내지 1f에 도시된 개략도의 도움으로 몇몇 종류의 종래 기술 장치의 대응하는 어려움 및 단점뿐만 아니라 구조 및 작동 원리를 간략하게 상기할 것이다.
도 1a는 초전도 나노와이어를 기반으로 하는 SNSPD의 종래 기술에 따른 가장 간단한 구현을 개략적으로 도시한다. 나노와이어(1)는 바이어스 전류원(2) 및 대응하는 판독 전자 장치(4)에 연결된 단일 미앤더를 형성한다. 바이어스 전류원(2)은 초전도 나노와이어(1)의 임계 전류(IC) 부근 및 미만이고 바이어스 티(bias tee; 3)의 매개체에 의해 단일 미앤더 초전도 나노와이어(1)를 통해 유동하는 DC 바이어스 전류(IB)를 제공한다. 바이어스 티는 인덕턴스(LB)를 갖는 인덕터 및 커패시턴스(CB)를 갖는 커패시터로서, 예를 들어 도 1a에 도시된 바와 같이 구현될 수 있지만, 또한 전기 신호의 DC 및 AC 구성 요소를 조합하거나 분리하기 위해 바이어스 티를 실현할 수 있는 다른 등가 다이플렉서 또는 필터 소자(3)로 구성될 수 있다. 단일 미앤더 나노와이어(1)는 입사광, 즉 입사 광자에 노출되는 검출 영역을 형성하고, 단일 미앤더 나노와이어(1)를 통해 흐르는 전류가 정상적으로 임계 전류(IC) 미만으로 유지되도록 임계 온도(TC) 미만으로 냉각된다. 초전도 나노와이어(1)에 의해 입사 광자가 흡수되는 경우, 초전도 나노와이어의 유효 폭을 감소시키는 국부적인 저항성 핫스팟의 출현으로 인해 초전도 나노와이어는 비저항성 초전도 상태에서 저항성 상태로 전이되고 따라서 임계 전류(IC) 초과의 초전도 나노와이어(1)의 나머지 폭 내에서 전류 밀도의 증가로 이어진다. 판독 전자 장치(4)는 일반적으로 증폭기 및 증폭기 이후의 전압 변화를 감지할 수 있는 비교기로 구성되어, 단일 미앤더 초전도 나노와이어(1)가 비저항성 초전도 상태에서 광자 흡수에 의해 유도된 저항성 상태로의 전이는 출력 전압 펄스를 생성하여 단일 광자 검출을 허용한다. 이러한 구성은 도 1b에 도시된 바와 같이, 도 1a의 단일 미앤더 SNSPD와 등가인 전자 회로에 의해 단순화되고 개략적인 방식으로 예시될 수 있다. 여기서, 검출기(1)를 형성하는 단일 미앤더 나노와이어는 키네틱 인덕턴스(LK), 정상 저항성 상태를 제공하는 저항기(RN) 및 광자 흡수에 의해 제어되는 스위치(SW)를 갖는 엔티티로 표현된다. 위에서 설명한 싱글 미앤더 SNSPD의 작동 원리는 다음과 같이 도 1b의 개략도에 대해 단순화될 수 있다. 검출기(1)가 초전도 상태에 있을 때, 스위치(SW)가 닫히고 바이어스 전류원(2)에 의해 제공된 바이어스 전류(IB)가 검출기(1)를 통해 흐른다. 광자 흡수가 발생하면, 스위치(SW)가 개방되고, 즉, 검출기(1)가, 바이어스 전류(IB)의 값과 검출기(1)의 온도에 따라 일어날 확률과 함께, 저항성 상태로 들어가고 전류가 저항기(RN)를 통해 유동하기 시작한다. 이것은 줄 가열을 통해 열을 소산하고 스위치(SW)를 열린 상태로 유지하는 검출기의 저항성 상태를 강화한다. 일반적으로 약 1kOhm의 저항을 갖는 저항기(RN)은 정상적으로 약 50Ohm의 저항을 갖는 판독 회로의 임피던스보다 훨씬 크기 때문에, 광자 흡수 후 흐르는 전류는 일시적으로 판독 회로(4)로 재지향된다. 이것은 열이 더이상 RN을 통해 소산되지 않고 검출기(1)가 임계 온도(TC) 아래로 다시 냉각되도록 하며, 이는 스위치(SW)를 닫고 바이어스 전류(IB)를 검출기(1)로 다시 끌어들이므로 검출기가 광자 검출을 위해 다시 준비된다. 그러나, 도입부에서 언급한 바와 같이, 이러한 기존의 단일 미앤더 SNSPD의 검출율은 복구 시간으로 인해, 특히 검출 면적이 증가함에 따라, 즉 초전도 나노와이어(1)의 길이가 증가함에 따라, 상당히 제한적인데, 이는 나노와이어의 길이에 따라 단조 증가하는 단일 미앤더의 키네틱 인덕턴스(LK)와 직접적인 관련이 있다.
도 1c는 도 1b와 유사한 단순화된 방식으로 필터 소자(3) 각각의 바이어스 티의 매개체에 의해 바이어스 전류원(2) 및 대응하는 판독 전자 장치(4)에 병렬로 연결된 여러 나노와이어 섹션(1)을 포함하는 SNSPD의 구현과 등가인 전자 회로를 개략적으로 도시한다. 각각의 나노와이어 섹션(1)은 키네틱 인덕턴스(LK) 및 저항기(RN)를 가지며, 각각은 일반적으로 동일하거나 유사한 값을 가지며 바이어스 전류(IB)는 정상적으로 즉, 각각의 섹션(1)이 바이어스 전류(~0.33 * IB)로 바이어스되는 도 1c에 도시된 3개의 나노와이어 섹션(1)을 포함하는 SNSPD의 예에 대해 각각의 나노와이어 섹션(1)으로 균등하게 분할된다. 여러 나노와이어 섹션(1)이 병렬로 연결된 이 SNSPD의 작동 원리는 일반적으로 단일 미앤더 SNSPD에 대해 위에서 설명한 것과 일치하지만, 나노와이어 섹션(1) 중 하나에서 광자 흡수가 발생할 때 광자 흡수 후 발생하는 전류가 양자 검출을 허용하는 판독 전자 장치(4)를 향하여 신호 펄스 발생을 위해 재지향할 뿐만 아니라 자동적으로 다른 나노와이어 섹션(1) 내로 유입되고 여기서 국부 전류가 이에 따라 나노와이어 섹션(1)의 일부 또는 모두 사이의 전류 누화에 의해 바이어스 전류(IB)를 너머 임시적으로 증가되는 차이점을 갖는다. 전류 누화와 관련된 나노와이어 섹션(1)의 증가된 전류가 국부 임계 전류(IC) 미만으로 유지되는 한, 검출율을 증가시키기 위해 병렬 연결된 여러 나노와이어 섹션(1)을 이용하는 원리가 작용한다. 그러나, 이 전류 누화 및 도입부에서 언급된 해당 전류 누적 및 캐스케이딩 효과는 부분적으로 또는 완전히 비활성화된 검출기로 즉, 대부분 또는 전체 검출기가 래칭 상태에 있도록 나노와이어 섹션(1)의 일부 또는 전부가 저항성 상태에 있는 상태로 이어질 수 있다. 이것은 특히 여러 나노와이어 섹션(1)이 광자에 의해 동시에 타격되는 전류 누화를 생성하는 데 기여할 수 있는 높은 검출율에서 발생할 수 있다.
도 1d는 다중-픽셀 설계의 단일 광자 검출기의 구현을 개략적으로 보여준다. 이 경우, 여러 개의 독립적인 초전도성 나노와이어 섹션(1)은 대응하는 판독 회로(4)에 별도의 동축 라인에 의해 연결된다, 즉, 나노와이어 섹션(1)의 연결은 병렬이 아니므로, 각각의 나노와이어 섹션(1)은 독립적인 SNSPD에 통합된다. 도입부에서 언급한 바와 같이, 이 해법은 비용이 많이 들고 비교적 높은 부피를 차지하며 일반적으로 병렬로 연결된 여러 나노와이어 섹션을 포함하는 SNSPD에 비해 상이한 접근 방식을 나타낸다.
도 1e는 러시아 특허 제 RU 2 327 253호에 따른 SNSPD의 구현을 개략적으로 도시하며, 이 SNSPD는 바이어스 전류원(2)에 병렬로 연결된 여러 나노와이어 섹션(1) 및 필터 소자(3) 각각의 바이어스 티의 매개체에 의해 상응하는 판독 전자 장치(4)를 포함한다. 이 SNSPD는, 각각의 상기 섹션에 대해, 해당 나노와이어 섹션(1)과 직렬로 연결된 저항기(RS)를 더 포함한다. 상기 저항기(RS)를 추가하면 상술된 전류 누화 및 대응하는 전류 누적 및 캐스케이딩 효과를 부분적으로 제한할 뿐만 아니라 각각의 섹션의 복구 시간을 어느 정도 제어할 수 있지만, 이 조치는 높은 검출율에서 전류 누화 문제를 완전히 해결하는 데 적합하지 않은데, 이는 누화가 저항기(RS)의 증가된 저항에 의해 감소되기 때문이다. 이 저항은 그 위에서 장치가 래칭하는 최대값으로 제한된다. 후자의 이유를 이해하기 위해, 도 1f는 나노와이어 섹션(1) 중 하나가 광자를 흡수할 때 도 1e 장치의 전류 누화에 의해 유도된 거동의 수치 시뮬레이션을 보여준다. 도 1f의 우측 상부 코너의 삽입 도면에서의 플래시는 광자가 최좌측 나노와이어 섹션(1)을 타격하는 것을 심벌화한다. 광자에 의해 타격되지 않는 다른 섹션 중 하나에서의 이러한 광자 흡수후 발생하는 전류는 도 1f의 메인 그래프에 도시된다. 광자 흡수 전, 비-타격 섹션의 전류는 약 20μA의 바이어스 전류에서 안정적이다. 도 1에서 시간 100ns에서 최좌측 섹션이 광자에 의해 타격될 때, 비-타격 섹션에서 전류는 27μA 보다 약간 더 상승한 후 전자 회로의 시간 역학에 의해 서서히 바이어스 전류 값으로 복구된다. 그러나, 초전도성 나노와이어 섹션(1)은 검출 효율을 최대화하기 위해 임계 전류(IC)에 최대한 가깝게 또는 그 미만으로 작동해야 한다. 따라서 임계 전류(IC)가 20μA보다 크고 27μA보다 작은 경우, 도 1f에 표시된 상황은 모든 나노와이어 섹션(1)이 저항성 상태에 있는 상태로 이어져 전체 장치가 래칭되어 작동되지 않는다. 따라서 이 장치를 최대 검출 효율에 가깝게 작동하는 것은 불가능하지만 바이어스 전류를 줄여야 효율이 낮아진다. 게다가, 높은 검출율에서, 장치의 래칭 상태가 발생하고 그럼에도 불구하고 장치가 높은 계수 속도에서 광자 검출에 적합하지 않을 가능성이 있다.
이제 본 발명에 따른 단일 광자 검출을 위한 장치로 돌아가서, 상기 장치는 병렬 연결된 SNSPD에 대한 캐스케이딩 방지 설계를 제안한다는 점에 유의해야 한다. 본 발명에 따른 캐스케이딩 방지 병렬 연결 SNSPD(이하 ACPC-SNSPD라 함)는 주로, 높은 탐지율을 위해 병렬로 연결된 SNSPD의 잠재력을 발휘하기 위하여 전류 누화와 이에 상응하는 전류 누적 및 높은 카운트 속도에서 캐스케이딩 효과의 위에서 언급된 문제를 해결하도록 설계되었다.
일반적으로, 본 발명에 따른 단일 광자 검출 장치는, 도 2a에 개략적으로 도시된 바와 같이, 2개 이상, 일반적으로 여러 개의 초전도성 검출 수단(1)과 바이어스 전류원(2), 필터 소자(3) 및 판독 회로(4)를 포함한다. 바람직하게는, 초전도성 검출 수단(1)은 일반적으로 미앤더(meander)의 기하학적 형상을 갖고 그 자체로 당업자에게 주지된 초전도성 나노와이어 섹션에 의해 각각 실현된다. 각각의 초전도성 검출 수단(1), 즉 각각의 미앤더링 형상의 초전도성 나노와이어 섹션(1)은 광에 노출되고, 입사 광자의 흡수에 적합한 검출 영역을 형성하고, 상기 필터 소자(3)의 매개체에 의해 상기 판독 회로(4)뿐만 아니라 상기 바이어스 전류원(2)에 병렬로 연결된다. 각각의 초전도성 검출 수단(1)은 임계 온도(TC)보다 낮은 온도에서 유지된다. 상기 바이어스 전류원(2)는 각각의 초전도성 검출 수단(1)을 비저항성 초전도 상태로 정상적으로 유지하기 위해 초전도성 검출 수단(1)의 임계 전류(IC)에 근접하고 그 아래에 위치하는 전기적 바이어스 전류(IB)를 각각의 초전도성 검출 수단(1)에 제공한다. 더욱이, 각각의 초전도성 검출 수단(1)은 입사 광자의 흡수의 경우에 상기 비저항성 초전도 상태에서 저항성 상태로 전이하도록 구성된다. 사실, 입사 광자의 흡수는 초전도성 검출 수단(1)에 교란된 구역을 생성한다. 초전도성 검출 수단(1)의 나머지 부분과 마찬가지로 바이어스 전류(IB)에 의해 횡단되는 교란된 구역은 국부적인 저항성 핫스팟의 출현으로 이어져서 초전도성 검출 수단(1)의 유효 체적의 감소를 생성하고, 따라서 임계 전류(IC) 초과의 초전도성 검출 수단(1)의 나머지 초전도 체적 내에서 전류 밀도의 증가를 초래한다. 차례로, 판독 회로(4)는 초전도성 검출 수단(1)의 저항성 상태로의 상기 전이에 대응하는 전압 변화를 감지하도록 구성되고, 따라서 임의의 상기 초전도성 검출 수단(1)에 의한 입사 광자의 각각의 흡수에 대한 사건 신호(event signal)를 생성하도록 허용한다.
초전도성 검출 수단(1)이 바람직하게는 미앤더링 형상의 초전도성 나노와이어 섹션에 의해 실현되지만, 이러한 검출 수단은 또한 모든 종류의 적절한 물질의 초전도 스트립 및/또는 적절한 형상 및 두께의 초전도 필름 또는 코팅에 의해 형성될 수 있으며, 이는 일반적으로 당업자에게 공지되어 있으므로 여기에서 더 자세히 설명하지 않을 것이다. 더욱이, 각각의 초전도성 검출 수단(1)은 임의의 적절한 기하학적 형상을 가질 수 있고, 예를 들어 미앤더링형(meandered), 원형, 직선 형태, 인터리브(interleaved)된 기하학적 형상, 이러한 기하학적 형상의 조합 또는 특정 응용에 적합한 임의의 다른 형상일 수 있다. 어떠한 경우에도, 적어도 2개의 초전도성 검출 수단(1), 즉 많은 응용을 위해 모든 미앤더링 형상의 초전도성 나노와이어 섹션(1)은 바람직하게는 공지된 제조 방법을 사용하여 동시에 한 조각(piece)으로 제조된다. 각각의 초전도성 검출 수단(1)에 상기 바이어스 전류(IB)를 제공하는 바이어스 전류원(2)은 그러한 목적에 적합한 모든 공지된 구성요소 중에서 당업자에 의해 선택될 수 있으며, 따라서 여기에서도 더 자세히 설명하지 않을 것이다. 그 자체로 필터 소자(3)는 인덕턴스(LB)를 갖는 인덕터 및 커패시턴스(CB)를 갖는 커패시터를 포함하는 바이어스 티(3)로서, 도 2a에 예로서 도시된 바와 같이, 또한 주지되고 실현될 수 있지만, 전기 신호의 DC 및 AC 구성 요소를 조합하거나 분리하기 위해 필터를 실현할 수 있도록 하는 다이플렉서 또는 기타 동등한 수단으로도 이루어질 수 있다. 판독 회로(4)는 일반적으로 증폭기 및 증폭기 이후의 전압 변화를 감지할 수 있는 비교기를 포함하지만, 본 발명이 상기 장치의 이러한 구성요소 내부에 위치하지 않는다는 점을 감안할 때 당업자에게 공지된 임의의 다른 등가 판독 수단으로 구성될 수도 있다.
사실, 본 발명에 따른 단일 광자 검출 장치는 주로 두 가지 면에서 종래 기술과 상이하다. 첫째, 병렬로 연결된 초전도성 검출 수단(1) 사이, 즉 미앤더링 형상의 초전도성 나노와이어 섹션(1) 사이의 전기적 누화을 감소시키기 위해 병렬로 연결된 적어도 하나의 추가 섹션(5)이, 도 2a에 개략적으로 도시된 바와 같이, 장치에 통합된다. 이러한 추가 병렬 섹션(5)은 광이 장치에 입사하는 경우에도 저항성이 될 수 없는 방식으로 제작되고, 즉, 이러한 섹션은 바람직하게는 입사광에 노출되지 않고 및/또는 특히 폭 및/또는 두께 때문에 이에 노출될 때조차 그것이 광을 검출하는 것을 방지하는 기하학적 구조를 가져서 이러한 추가 섹션(5)이 광자 검출에 적합하지 않다. 다음에서, 광이 장치에 입사할 때 광자를 검출하도록 구성된 초전도성 검출 수단(1), 즉 일반적으로 미앤더링 형상의 초전도성 나노와이어 섹션(1)은 또한 "감광 섹션(photosensitive sections)"으로 명명되고 광에 노출되지 않는 상기 추가 병렬 섹션(5) 및/또는 광이 장치에 입사하더라도 광자를 검출할 수 없는 기하학적 구조를 가지며 "전류 재분배 섹션(current re-distribution sections)", "전류 재분배 경로(current re-distribution paths)" 또는 "전류 재분배 수단(current re-distribution means; 5)"으로 명명된다. 또한 "통합된(integrated)"이라는 용어는 전류 재분배 수단(5)이 바람직하게는 한 조각으로 생산되고 감광성 섹션과 동시에 생산된다는, 즉 정상적으로 모든 미앤더링 형상의 초전도성 나노와이어 섹션(1)을 생산하기 위해 사용되는 동일한 나노제작 기술을 사용하는, 의미로 사용됨을 유의하자. 일반적으로, 동일한 나노 제작 기술이 전체 ACPC-SNSPD의 모든 구성 요소를 포함하는 칩을 한 조각으로 생산하는 데 사용된다. 상기 전류 재분배 수단(5)과 같은 추가 섹션을 추가하는 것은 전류 누화 및 대응하는 전류 누적 및 캐스케이딩 효과와 관련된 문제를 해결하는 데 적합한데, 이는 작동되지 않는 광민감성 섹션과 임의의 다른 섹션 사이의 전류 누화, 즉 주어진 섹션에서 전류 증가의 양이 섹션의 총 수에 따라 감소하기 때문이다. 후자는 전체 섹션 수가 종래 기술 장치와 같이 감광 섹션으로만 구성되어 있는 경우와 전체 섹션 수가 광자 검출을 위해 기능하는 감광 섹션 및 본 발명에 따른 단일 광자 검출을 위한 장치에서와 같이 전류 재분배 수단으로서만 기능하는 추가 섹션으로 구성되는 두 개의 경우에 대해 어느 정도 타당하다. 그러나, 본 발명에 따른 후자의 구성은 전류 재분배 수단(5)이 전류 누화의 생성 또는 증가에 기여하지 않고 감광 섹션(1)에서 시작되는 누화로 인한 전류만 재흡수한다는 점을 고려할 때 특히 높은 검출율에서 특히 유리하다. 이러한 설계에 의해, 단지 제한된 수의 섹션, 즉 감광 섹션(1)은 입사광의 흡수에 의해 동시에 저항성이 될 수 있는 반면, 상기 장치의 구성에 의해 상기 전류 재분배 경로(5)가 입사광의 흡수에 의해 저항성이 되지 않을 수 있다. 둘째, 장치의 감광 섹션(1) 모두가 다수의 동시 광자 흡수 후 저항성 상태에 있는 경우조차, 추가 섹션, 즉 상기 전류 재분배 경로(5)는 초전도성을 유지하도록, 즉 초전도 상태에서 전류를 운반하도록 이용 가능하게 유지하기 위해 충분한 전류를 지원하도록 설계된다. 모든 감광 섹션(1)이 비-초전도 상태에 있는 경우 발생할 수 있는 총 바이어스 전류가 그 안으로 흐르는 경우, 각각의 재분배 경로(5)에서의 전류 밀도가 그럼에도 불구하고 사용된 초전도 물질의 임계적 전류 밀도보다 낮도록, 이는 초전도 물질, 전류-재분배 경로(5)의 수, 기하학적 구조, 폭 및/또는 두께를 선택함으로써 수행된다. 이러한 목적을 위해, 전류 재분배 경로(5)에 사용되는 초전도 물질은 예를 들어 감광성 나노와이어에 사용되는 초전도 물질과 상이할 수 있다. 동일한 목적을 위해, 주어진 초전도 물질로 제조된 폭(WS) 및 두께(dS)의 주어진 수(NS)의 감광성 나노와이어(1) 및 동일한 저항값(RR)(이 예는 RS와 동일한 것으로 가정됨) 및 (또한, 이 예에서 가정됨) 동일한 초전도 물질로 생산되는 재분배 경로(5)의 수(NR)에 대해, 전류 재분배 경로(5)에 필요한 최소 폭(WR)은 수학식 WR>WS*[1+(NS/NR)]에 의해 계산될 수 있다. WR은 전류 재분배 경로(5)의 상기 최소 폭(WR)에 대한 하한을 형성하는 이러한 값보다 커야 한다는 점에 유의한다. 특히 WR 값의 하한은 임계 전류 밀도가 재분배 경로(5)의 단면 d * WR에 비례한다는 가정을 기반으로 하지만, 실제로는 여전히 필요하지만, 이러한 불충분한 가정으로부터 추론된 재-분배 경로에 요건을 형성하는 나노제조 방법에 의한 제약 또는 초전도 물질의 한계와 같은 이유일 수 있다. 이러한 이유로, 전류 재분배 경로(5)에 필요한 최소 폭(WR)은 일반적으로 전술한 수학식에 따라 필요한 최소 폭보다 큰 값으로 고정된다. 이것은 단지 특정한 예로서 언급된 것이지만, 감광성 나노와이어(1) 및 전류 재분배 경로(5)의 물질 및 두께는 동일하고 저항(RS 및 RR)도 동일한 경우에만 원칙적으로 이러한 수학식이 인가하는 경우에만, 상기 언급된 수학식이 상기 최소 폭(WR)에 대한 하한에 대한 가장 일반적인 표현을 나타내지 않는 점이 강조된다. 감광성 나노와이어(1)와 전류 재분배 경로(5)의 두께(dS와 dR)가 각각 다르고 저항(RS와 RR)이 반드시 동일하지 않은 경우에 응용하는 보다 일반적인 표현은 수학식 WR>WS*(dS/dR)*[(RS/RR)+(NS/NR)]이다. 감광성 나노와이어(1)와 전류 재분배 경로(5)의 물질도 상이한 경우에 대해 상기 최소 폭(WR)의 하한에 대한 훨씬 더 일반적인 표현을 나타내는 것도 가능하다. 단순함을 위해, 이것은 여기에서 더 자세히 설명하지 않지만, 본 개시내용 및 그의 기술적 교시를 고려하여 당업자에 의해 얻어질 수 있다. 이러한 맥락에서, 이러한 미노출 나노와이어가 본 발명에 의해 제안된 바와 같은 전류 재분배 경로로 작용할 수 없도록, 도입부에서 설명된 바와 같은 펄스 신호의 증폭을 허용하도록, 중국 특허 출원 제 CN 106 289 515호에 따른 장치가 WR 값에 대해 위에서 언급한 하한보다 낮은 값으로 제한되는 폭을 갖는 미노출 나노와이어를 갖는다는 점에 유의해야 한다. 반대로, 본 발명에 따른 장치의 설계는 전류 누적 효과가 모든 감광 섹션(1)을 일시적으로 비활성화하고 장치의 시간 소모적인 재설정을 필요로 하는 캐스케이드로 이어지지 않도록 한다. 이것은 전체 장치의 최적의 성능을 허용하는 것과 같이 전류 재분배 경로(5)로 작용하는 추가 섹션을 설계하는 자유를 제공한다.
구체적인 예로서, 도 2a는 본 발명에 따른 단일 광자 검출을 위한 장치의 제1 실시예의 개략도를 도시하며, 여기서 상기 장치는 도 1c 및 도 1e에 예시된 종래 기술의 장치의 3개의 나노와이어 섹션과 유사한, 검출 영역을 형성하는 3개의 병렬 연결된 감광 섹션(1)뿐만 아니라 입사 광에 노출되지 않은 병렬 연결된 나노와이어 섹션을 사용하여 종래 기술 SNSPD에 부재하는 검출 영역인 두 개의 병렬 연결된 전류 재분배 경로(5)를 포함한다. 이러한 전류 재분배 경로(5)는 이러한 감광 섹션(1) 중 하나 또는 여러 개에서 광자 흡수가 발생할 때 3개의 감광 섹션(1) 사이에서 발생하는 전류 누화을 제한할 수 있다. 따라서, 이는 종래 기술 장치에서 관찰된 대응하는 전류 누적 및 캐스케이딩 효과를 회피하는 것을 허용한다. 더욱이, 이것은 또한 감광 섹션과 최적의 협력을 허용하기 위해 바람직하게는 감광 섹션(1)의 키네틱 인덕턴스(LK)에 따르는 방식으로 각각의 키네틱 인덕턴스(LKR)를 선택하도록 전류 재분배 경로(5)의 형상을 선택함으로써 영향을 받는다. 또한, 도 2a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 단일 광자 검출을 위한 장치는 바람직하게는 반드시는 아니지만, 저항기(RS 및 RR)로서 일반적으로 구현되는 제어 소자(6, 7)도 포함하며, 상기 저항기는 미리 정의되고 제어된 방식으로 DC 바이어스 전류를 장치의 다른 부분으로 분할하기 위해 감광 섹션(1)에 각각, 전류 재분배 경로(5)에 직렬로 연결된다. RS 및 RR의 값은 또한 감광 섹션(1) 및 전류 재분배 경로(5)로 흐르는 전류를 선택할 수 있도록 하는 방식으로 선택된다.
도면에 도시되지 않았지만 도 2a의 장치와 유사한 본 발명의 다른 실시예에서, 전류 재분배 경로(5)는 광섬유에 의해 들어온 광에 노출되지만 그럼에도 불구하고 예를 들어, 전류 재분배 경로(5)를 형성하는 나노와이어의 기하학적 구조 때문에, 즉 그 폭 및/또는 두께 때문에 광섬유에 노출될 때에도 광을 검출하지 않는다. 보다 정확하게는, 각각의 전류 재분배 경로(5)의 나노와이어의 기하학적 구조는 임의의 원하는 키네틱 인덕턴스(LKR)를 얻도록 선택될 수 있으며, 단일 광자가 전류 재분배 경로를 형성하는 나노와이어에 의해 흡수될 때조차 광 검출을 방지하기에 충분히 큰 폭 및/또는 두께를 선택한다.
도면에 도시되지 않았지만 도 2a의 장치와 유사한 본 발명의 또 다른 실시예에서, 입사 광이 감광 섹션(1)만을 향하여 지향되거나 또한 전류 재분배 경로(5)로 지향되는 것을 허용하는 방식으로, 렌즈를 이용하여, 광이 자유 공간 커플링(coupling)에 의해 장치를 향하여 지향되지만, 이 경우 후자는 상술된 바와 같이 선택될 수 있는 이의 기하학적 구조에 의해 광을 검출할 수 없다.
도 2b는 본 발명에 따른 장치의 제2 실시예를 개략적으로 도시하며, 여기서 장치 내부에 병렬로 연결된 감광 섹션(1)은 장치의 중앙에 감지 가능하게 위치된다. 각각의 감광 섹션(1)은 대응하는 감광 섹션(1)에 직렬로 연결되고 도 2b의 상단에서 물결선으로 도시된, 저항기(RS)에 의해 구현되는 제어 소자(6)에 의해 종료되는 것이 바람직하다. 감광 섹션(1)에 병렬로 연결된 전류 재분배 경로(5)는 미앤더링 형상의 초전도 나노와이어에 의해 형성되고 서로 대향하는 원의 두 개의 호를 형성하도록 배열될 수 있으며, 감광 섹션(1)은 도 2b에서 예로서 도시된 바와 같이, 중심에 근접하고 상기 2개의 호 사이에 위치된다. 상기 장치는 바람직하게는 각각 전류 재분배 경로(5)에 직렬로 연결된 제어 소자(7)를 더 포함하며, 상기 제어 소자(7)는 도 2b에 도시된 저항기(RR)에 의해 원의 상기 2개의 호 외부의 직선으로 구현된다. 본 발명에 따른 장치의 다른 모든 실시예에서와 같이, 감광 섹션(1)뿐만 아니라 전류 재분배 경로(5)의 단부는 장치 내부의 병렬 연결을 제공하지 않으며, 각각 이들 단부에 연결된 제어 소자(6, 7)는, 존재하는 경우, 바이어스 전류원(2)과 마찬가지로 접지에 연결된다. 바이어스 전류원은 도 2b에 전체가 표시되어 있지 않으며, 이는 바이어스 전류(IB)가 두 개의 아크 사이에 위치한 연결 라인을 통해 장치로 흐르고 이어서 감광 섹션(1)과 전류 재분배 경로(5)로 분할되는 바닥 중앙 부분에 단지 심벌로 표시된다. 이 실시예에서, 감광 섹션(1)은 바람직하게는 모든 감광 섹션(1)에 의해 함께 형성된 검출 영역과 유사하거나 더 작은 코어 직경을 갖는 광섬유에 의해 장치 내부로 들어온 입사광에 노출된다.
일반적으로, 이미 위에서 언급한 바와 같이, 본 발명에 따른 장치의 전류 재분배 경로(5)의 초전도 물질, 수, 기하학적 구조, 폭 및/또는 두께는 모든 감광 섹션(1)이 비-초전도 상태에 있는 경우 발생할 수 있는 총 바이어스 전류가 그 안으로 흐르는 경우조차, 각각의 재분배 경로(5) 내의 전류 밀도가 항상 대응하는 재분배 경로(5)에 사용된 초전도 물질의 임계적 전류 밀도보다 낮은 방식으로 선택된다. 그러나, 본 발명에 따른 장치의 많은 잠재적인 응용 및 상응하는 제약을 충족시키기 위해 수정되도록 구성된 장치의 매우 다양한 매개변수로 인해, 장치의 다른 구성 요소, 특히 감광 섹션(1) 및 전류 재분배 경로(5)의 수 및 치수의 선택을 위해, 엄격한 수학적 규칙을 나타내는 것이 어렵지만, 작동 값은 아래에 명시되는 것과 같은 특정 범위에서 찾을 수 있다. 실제로, 감광 섹션(1)의 수(NS)는 도달해야 하는 검출율(많은 수의 감광 섹션(1)이 필요함)과 원하는 출력 신호 진폭 사이의 균형이며, 이는 감광 섹션(1)의 수(NS)가 증가함에 따라 감소한다. 감소하는 신호 진폭은 또한 SNSPD의 타이밍 지터(timing jitter)를 증가시키며, 이는 감광 섹션(1)의 수(NS)를 선택할 때 고려해야 할 또 다른 균형을 구성한다. 감광 섹션(1)의 수(NS)에 대한 전형적인 값은 2 내지 100, 더욱 바람직하게는 4 내지 40, 더욱 더 바람직하게는 6 내지 15이다.
재분배 경로(5)의 수(NR)는 바람직하게 NS/(NR+NS) 비율이 5% 내지 50%, 더욱 바람직하게는 10% 내지 25% 범위에 위치하도록 선택된다. 재분배 경로(5)는 또한 전체 장치에 대해 동일한 물리적 거동을 얻도록 대응하는 제어 소자(들)(7)의 적절히 선택된 인덕턴스(LRE) 및 저항(RRE)으로, 대응하는 제어 소자(7)의 주어진 인덕턴스(LKR) 및 저항(RR)을 갖는 재분배 경로(5)의 초기 예상 수(NR)가 단일 등가 재분배 경로(5) 또는 감소된 (또는 또한 증가된) 수(NRE)의 등가 재분배 경로(5)로 대체될 수 있도록 적어도 부분적으로 그룹화될 수 있다. 예를 들어, 단일 재분배 경로(5)의 기하학적 구조는 인덕턴스(LKRE)가 LKR/(NR/NRE)과 같고 해당 제어 소자(7)의 저항(RRE)이 RR/(NR/NRE)과 같도록 선택된다면, 단일 등가 재분배 경로(5), 즉 NRE=1은 병렬로(여기서 NR > 1) 재분배 경로(5)의 초기 예상 수(NR)와 동일한 방식으로 작동할 수 있다. 등가 재분배 경로(5)의 기하학적 구조, 즉 주로 폭 및 두께는 모든 감광 섹션(1)이 저항성 상태에 있더라도 초전도 상태를 유지하기에 충분한 전류를 지원하도록 구성되어야 한다. 이것은 WR*NR/NRE보다 크거나 같도록 등가 재분배 경로(WRE)의 폭을 선택함으로써 달성될 수 있다. 이 경우, 이는 등가 재분배 경로(5)의 AC 거동을 개선할 수 있는 경우 및 장치의 적절한 기능을 손상시키지 않는 경우, L(KRE)는 약간 더 큰 값(바람직하게는 최대 2배까지) 또는 더 작은 값(바람직하게는 절반 이하)을 갖도록 선택할 수도 있다. 등가 재분배 경로(5)의 수(NRE)의 값은 1과 NR 사이에서 선택될 수 있다. 실제로, NRE = 1을 선택하면, 즉, 단일 등가 재분배 경로(5)가 재분배 경로의 처음에 예상된 수(NR)를 대체하지만 나노 제조 어려움을 초래할 수 있는데, 이는 제어 소자의 저항(RRE)이 매우 작아서 충분히 높은 정밀도로 제작될 수 없기 때문이다. 따라서, 실제로, 등가 재분배 경로(5)의 수(NRE)의 값은 바람직하게는 2와 NR 사이, 보다 바람직하게는 4와 NR/2 사이, 더욱 더 바람직하게는 8과 NR/4 사이의 범위에 위치하도록 선택된다.
바람직한 실시예에서, 재분배 경로(5)의 제어 소자(7) 및 이들의 저항 및/또는 인덕턴스(RR 및 LKR)는 감광 섹션(1)의 제어 소자(6) 중 하나(RS 및 LK)와 동일한 값을 갖는다. 이것은 전류가 장치의 다른 구성 요소에 균등하게 분할되도록 한다. 재분배 경로(5)의 키네틱 인덕턴스(LKR)의 값은 바람직하게는 감광 섹션(1)의 키네틱 인덕턴스(LK)와 같도록 선택되지만, 재분배 경로(5)의 AC 거동을 변경하기 위해 상이할 수도 있다. 제어 소자(6)의 저항기(RS)은 가능한 한 높은 값을 갖도록 선택되는 것이 바람직한데, 이는 높은 값은 감광 섹션의 복구 시간을 단축시키기 때문이지만, 또한 사용된 물질 및 키네틱 인덕턴스(LK)의 값에 따라 최대 한계 아래, 바람직하게는 2 내지 500 Ohm, 및 더 바람직하게는 5 내지 150 Ohm, 및 더욱 더 바람직하게는 10 내지 100 Ohm으로 유지되어야 하는데, 이는 그렇지 않으면 장치가 래칭 거동을 보여줄 수 있기 때문이다. 감광 섹션(1)의 키네틱 인덕턴스(LK)는 또한 초전도 물질 및 나노와이어의 기하학적 구조, 즉 각각의 감광 섹션(1)의 길이, 폭, 및 두께에 의해 결정된다. 일반적으로, 감광 섹션(1)의 키네틱 인덕턴스(LK)는 각각의 개별 섹션의 복귀 시간을 개선하기 위해 최소화되어야 한다. LK 및 LKR에 대한 값은 바람직하게는 20 내지 10000 nH, 보다 바람직하게는 50 내지 1000 nH, 더욱 더 바람직하게는 100 내지 500 nH의 범위에 위치한다.
본 발명에 따른 장치, 즉 대부분의 실제 응용에서 미앤더링 형상의 초전도 나노와이어를 사용하는 ACPC-SNSPD는, 원하거나 요구되는 경우, 더 복잡한 시스템에 통합될 수도 있다. 예를 들어, 도 2c에서 예에 의해 개략적으로 예시된 것과 같이, 각각의 픽셀, 즉 각각의 ACPC-SNSPD에 대한 전용 동축 라인 및 판독값을 갖는 복수의 독립적인 ACPC-SNSPD를 포함하는 대형 다중-픽셀 어레이 단일 광자 검출 시스템(10)을 실현하는 것이 가능하다. 감광 섹션(1)과 전류 재분배 경로(5)가 다중-픽셀 어레이 단일 광자 검출 시스템(10)에 통합된 각각의 ACPC-SNSPD의 내부에 병렬로 연결되어 있지만, ACPC-SNSPD는 각각 별개의 판독부(4)를 갖도록 시스템(10) 내로 통합된다. 따라서 이 구성은 도 1d에 표시된 종래의 장치와 광범위하게 유사한 것으로 간주될 수 있다. 물론, 이러한 다중-픽셀 어레이 단일 광자 검출 시스템(10)에 통합된 ACPC-SNSPD의 수는 다양할 수 있으며, 통합된 ACPC-SNSPD는 다른 검출 영역, 구성 요소, 및 레이아웃 등이 동일할 수 있으며, 이러한 모든 매개변수는 다중-픽셀 어레이 단일 광자 검출 시스템(10)의 특정 응용에 따라 선택된다. 다중-픽셀 어레이 단일 광자 검출 시스템은 칩 또는 모든 유형의 집적 회로에 의해 실현될 수 있으며 다른 더 큰 단일 광자 검출 구조의 일부로 사용될 수도 있다.
일반적으로, 본 발명에 따른 장치 또는 시스템의 다른 부분의 수와 치수는 제어 요소(6, 7)의 커패시턴스, 즉 존재하는 경우 저항기(RS 및 RR)의 각각 그 키네틱 인덕턴스(LK 및 LKR)의 전류 재분배 경로(5)의 감광 섹션(1), 및 감광 섹션(1)이 이러한 방식으로 또는 일반적으로 초전도성 검출 수단(1)의 기하학적 형상으로 실현되는 경우, 나노와이어의 길이, 두께, 및 폭이 신중하게 최적화되어야 한다. 일반적인 규칙으로서, 전류 재분배 수단(5)의 수를 늘림으로써 키네틱 인덕턴스(LK 및 LKR)의 작은 값에 의해 그리고 저항기(RS 및 RR)의 큰 저항에 의해 누화가 최소화된다. 이 규칙을 특정 레이아웃 및 응용에 응용하는 방법은 당업자에게 명백하지만, 본 발명에 의해 커버되는 모든 가능한 구성을 여기에서 설명하는 것은 불가능하다. 그러나 이 일반 규칙을 응용하면 출력 신호의 진폭이 감소하여 검출기의 지터가 감소할 수 있으며 키네틱 인덕턴스(LK 및 LKR)의 작은 값과 저항기(RS 및 RR)의 큰 커패시턴스가 또한 복구 시간을 줄이는 측면에서 장치의 속도를 높이며 특정 상황에서 전체 장치가 다시 래칭될 수 있다. 이러한 이유로, 각각의 특정 레이아웃 및 응용에 대해 장치의 서로 상이한 부분의 수와 치수를 신중하게 최적화해야 한다. 이러한 이유로, 본 발명에 따른 장치의 상이한 부분의 치수의 정확한 제어가 중요하고 전류 재분배 경로(5)는, 이미 전술된 바와 같이, 바람직하게는 장치의 감광 섹션(1)을 생산하는 데 사용되는 나노제조 공정을 사용하여 장치에 통합된다. 이것이 필수는 아니지만, 동일한 나노제조 공정을 사용하여 이러한 구성요소를 통합하지 않으면 기생 커패시턴스, 저항, 및 인덕턴스가 존재하고 전류 재분배 경로(5)의 인덕턴스(LKR) 및 저항기(RR)의 커패시턴스 값을 적절하게 제어하는 어려움으로 인해 본 발명의 적절한 구현이 손상될 수 있다.
본 발명에 따른 다중-픽셀 어레이 단일 광자 검출 시스템(10) 각각의 ACPC-SNSPD 장점은 감광 섹션 중 하나에 의해 입사 광자의 흡수가 후속하는 본 발명에 따른 장치의 감광 섹션(1) 사이의 전류 누화가 어떻게 이동하는지를 보여주는 수치 시뮬레이션에 의해 도 3a에 도시된다. 도 3a의 오른쪽 상단 모서리에 있는 삽입 도면의 플래시는 광자가 최우측의 감광 섹션(1)을 타격하는 것을 상징한다. 광자에 의해 타격되지 않는 다른 감광 섹션(1)들 중 하나에서 이러한 양자 흡수 후 발생하는 전류는 도 3a의 주 그래프에 나와 있다. 광자 흡수 전에, 비-타격 섹션에서의 전류는 약 20μA의 바이어스 전류에서 안정적이다. 최좌측의 감광 섹션(1)이 광자에 의해 타격을 받았을 때, 시간 100ns에서 도 3a에서, 비-타격 섹션의 전류는 전류 재분배 수단(5)에 의한 누화 때문에 발생하는 전류의 완화에 의해 약 20.65㎂로 최소로만 발생하고 이어서 전기 회로의 시간 역학으로 인해 바이어스 전류의 값으로 느리게 회복한다. 도 1f의 맥락에서 예로서 논의된 바와 같은 종래 기술 장치의 상황과 비교할 때, 이에 따른 본 발명에 따른, 시스템(10) 내부의 각각의 장치 내부의 전류 누화가 더 적어진다. 이것은 이러한 시스템(10)의 각각의 이러한 장치의 감광성 섹션(1)을 임계 전류(IC)에 가깝게, 따라서 최대 효율로 작동시키는 것을 허용한다. 또한, 전류 재분배 수단(5)에 의한 전류 누화의 완화로 인해, 장치, 각각의 시스템(10)은 높은 광자 검출율에서도 비활성화되지 않는다.
도 3b에서, 입사 광자의 수에 따라 측정된 검출율은 도 1a의 기존 단일 미앤더 SNSPD를 기반으로 하는 장치와 도 2b에 도시된 것과 유사한 ACPC-SNSPD를 기반으로 하는 장치, 두 장치에 대해 비교된다. 도 2b에 도시된 ACPC-SNSPD와 같이, 도 3b를 구성하는데 사용되는 ACPC-SNSPD는 6개의 감광 섹션과 14개의 전류 재분배 경로로 구성되며, 전류 재분배 경로가 아닌 감광 섹션에 노출되는 광은 광섬유에 의해 장치로 들어온다. 단일 미앤더 SNSPD에 의해 그리고 도 3b를 구성하는 데 사용된 ACPC-SNSPD의 감광 섹션 모두에 의해 덮이는 전체 영역은 약 16μm x 16μm이다. 도 3b에 도시된 비교는 본 발명에 따른 ACPC-SNSPD가 높은 검출 체제에서 동작할 수 있음을 입증하지만, 이는 종래의 단일 미앤더 SNSPD에서는 불가능하다. 사실, 본 발명에 따른 ACPC-SNSPD의 경우에도 효율 손실이 관찰되지만, 이 손실은 기존의 단일 미앤더 SNSPD가 겪는 손실보다 훨씬 낮고 높은 탐지율에서 단일 미앤더 SNSPD의 사용을 금지한다.
도 3c는 연속파(CW) 광원이 장치를 조명하기 위해 사용된 기존 단일 미앤더 SNSPD 및 본 발명에 따른 ACPC-SNSPD에 대한 입사 광자 수에 따른 입사 광자당 평균 검출 효율의 변화를 보여준다. 비교는 도 1a 단일 미앤더 SNSPD에 유사한 기존의 단일 미앤더 SNSPD 및 ACPD-SNSPD의 검출 효율이 광자 계수 속도가 1MHz 미만일 때 본질적으로 일정하다는 것을 보여준다. 도 3c에 도시된 예에서, 입사 광자당 평균 검출 효율은 단일 미앤더의 경우 약 77%이고 1MHz 미만의 광자 계수율 영역에서 ACPC-SNSPD의 경우 약 66%이다. 광자 계수율, 즉 광자 검출율이 증가함에 따라 두 장치의 평균 효율이 감소하기 시작한다. 그러나 효율이 공칭 효율의 절반, 즉 3dB 효율 강하 라인으로 떨어지는 광자 계수율은 기존의 단일 미앤더 SNSPD의 경우 이미 약 6MHz에 위치하지만 ACPC-SNSPD의 경우 단지 약 70MHz에 위치한다. 이것은 본 발명에 따른 ACPC-SNSPD가 높은 검출율에서 특히 유리한 방식으로 사용될 수 있음을 강조한다.
본 발명에 따른 장치 및 시스템의 구조 및 작동 모드에 대한 상기 설명에 비추어 볼 때, 그 이점은 명백하다. 우선적으로 그리고 가장 중요하게는, 이러한 장치는 제안된 검출기 설계의 주요 이점으로서, 높은 검출율로 병렬 연결된 복수의 나노와이어 섹션을 갖는 SNSPD를 작동하는 동시에 전류 누화 및 해당 캐스케이딩 효과를 방지할 수 있으며, 이는 특히 높은 계수율에서 종래 기술의 SNSPD를 래칭 상태로 초래한다. 둘째, 본 발명에 따른 장치는 큰 코어 광섬유, 예를 들어 다중모드 광섬유, 또는 상응하는 이점을 갖는 자유 공간 전파 빔으로부터 나오는 광을 수집하기 위한 더 큰 민감한 표면의 생성을 허용한다. 즉, 본 발명에 따른 장치의 유효 복구 시간은 동일한 넓은 면적을 커버하는 기존의 싱글 미앤더 SNSPD에 비해 감소되고, 광학적으로 민감한 영역의 크기가 미앤더에서 협착될 더 큰 확률에 의해 장치의 제조 수율은 결함이 있는 섹션, 예를 들어 제조 문제로 인해, 다른 감광 섹션이 작동하는 것을 방지하지 않기 때문에, 본 발명에 따른 설계에 적은 영향을 미친다. 셋째, 본 발명에 따른 장치 및 시스템은 예를 들어 광 시간 영역 반사 측정법(Optical Time-Domain Reflectometry; OTDR)과 광 탐지 및 거리 측정기(light detection and ranging; LiDAR)와 같은 양자 키 분배, 광학 자유 공간 통신 및 전파 시간(Time of Flight; TOF) 측정의 분야의 응용에 특히 적합하다. 마지막으로, 이 장치는 각각의 나노와이어 섹션에 대해 전용 판독 전자 장치 또는 기타 고가 부품이 필요하지 않기 때문에 비교적 적은 체적을 차지하며 지속 가능한 비용으로 생산이 가능하다. 따라서 장치는 위에서 설명한 목적을를 달성한다.

Claims (15)

  1. 단일 광자 검출(single photon detection)을 위한 장치(device)로서, 적어도 2개의 초전도성 검출 수단(1)뿐만 아니라 바이어스(bias) 전류원(current source; 2), 필터 소자(3), 및 판독 회로(4)를 포함하며,
    각각의 초전도성 검출 수단(1)은 입사 광자의 흡수에 적합한 검출 영역을 형성하고 상기 필터 소자(3)의 매개체(intermediate)에 의해 상기 바이어스 전류원(2) 및 상기 판독 회로(4)에 병렬로 연결되고, 각각의 초전도성 검출 수단(1)은 그 임계 온도(TC) 미만의 온도에서 유지되고, 상기 바이어스 전류원(2)는 각각의 초전도성 검출 수단(1)을 비저항성(non-resistive) 초전도 상태로 정상적으로 유지하도록 초전도성 검출 수단(1)의 임계 전류(IC)에 근접하고 그리고 상기 임계 전류(IC)의 미만에 위치되는 전기 바이어스 전류(IB)를 각각의 초전도성 검출 수단(1)에 제공하고, 각각의 초전도성 검출 수단(1)은 입사 광자의 흡수의 경우, 상기 비-저항성 초전도 상태로부터 저항성 상태로 전이되도록 구성되고, 상기 판독 회로(4)는 초전도성 검출 수단(1)의 그 저항성 상태로의 상기 전이에 대응하는 전압 변화를 감지하도록 구성되어, 상기 초전도성 검출 수단(1) 중 어느 하나에 의해 입사 광자의 각각의 흡수를 위한 사건 신호(event signal)를 생성하는 것을 허용하는, 장치에 있어서,
    전류 재분배 수단(5) 내로 상기 초전도성 검출 수단(1) 중 어느 하나에 의한 입사 광자의 흡수 후, 발생하는 전류를 적어도 부분적으로 재분배하도록 구성되어 그 임계 전류(IC) 초과의 전류 밀도의 증가를 겪는 입사 광자를 흡수하지 않는 초전도성 검출 수단(1) 중 어느 하나를 회피하도록 하는 적어도 하나의 전류 재분배 수단(5)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    적어도 2개의 초전도성 검출 수단(1)이 미앤더(meander)의 기하학적 형태 또는, 검출 영역을 커버하는 임의의 다른 형태를 갖는 초전도성 나노와이어 섹션에 의해 각각 실현되고, 모든 초전도성 검출 수단(1)이 바람직하게는 하나의 조각(piece)으로 제조되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전류 재분배 수단(5)이 미앤더의 기하학적 형태 또는 검출 영역을 커버하는 임의의 다른 형태를 갖는 초전도성 나노와이어 섹션에 의해 실현되고, 상기 전류 재분배 수단(5)은 바람직하게는 초전도성 검출 수단(1)을 형성하는 초전도성 나노와이어 섹션과 하나의 조각으로 제조되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류 재분배 수단(5)은 모든 초전도성 검출 수단(1)이 그 저항성 상태에 있는 경우에도 초전도를 유지하기에 충분한 전류를 지원하도록 구성되어, 전류 누적(pile-up) 및/또는 캐스케이드(cascade) 효과로 인한 초전도성 검출 수단(1)의 비활성화를 방지하는 것을 특징으로 하는, 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류 재분배 수단(5)은 상기 초전도성 검출 수단(1)의 제조에 사용되는 상기 초전도 물질과 상이한 초전도 물질로 제조되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류 재분배 수단(5)은 수학식 WR>WS*[1+(NS/NR)]에 의해 결정되는 최소 폭(WR)을 갖고, NS는 폭(WS)의 초전도성 검출 수단(1)의 수이고 NR은 전류 재분배 수단(5)의 수인 것을 특징으로 하는, 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재분배 수단(5)의 수(NR)는 비율 NS/(NR+NS)가 5% 내지 50%, 및 더 바람직하게는 10% 내지 25%의 범위에 위치하도록 선택되고, NS는 초전도성 검출 수단(1)의 수인 것을 특징으로 하는, 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류 재분배 수단(5)의 형상 및/또는 치수는, 바람직하게는 초전도성 검출 수단(1)의 각각의 키네틱(kinetic) 인덕턴스(LK)에 따라, 그 각각의 키네틱 인덕턴스(LKR)를 선택하도록 선택되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류 재분배 수단(5)이 입사 광자에 노출되지 않도록 및/또는 기하학적 형상, 특히 폭 및/또는 두께를 갖도록 상기 장치 내부에 배열되어, 이에 노출될 때조차 그것이 광을 검출하는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는, 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 각각 전류 재분배 수단(5)에 대하여, 초전도성 검출 수단(1)에 각각 직렬로 연결된 적어도 하나의 제어 소자(6, 7)를 더 포함하고,
    상기 제어 소자(6, 7)는 각각 전류 재분배 수단(5)에 대하여, 초전도성 검출 수단(1)에 직렬로 연결되며, 바람직하게는 저항기(RS, RR)로 실현되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    칩(chip) 또는 임의의 유형의 집적 회로에 의해 실현되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 광원 또는 광섬유를 더 포함하여 광을 장치 내부로 가져오는 것을 허용하거나, 또는 광이 자유 공간 커플링(free-space coupling)에 의해 장치를 향해 지향되는 것을 허용하는 것을 특징으로 하는, 장치.
  13. 단일 광자 검출용 시스템(10)에 있어서,
    상기 시스템은 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 2개의 장치를 포함하고, 각각의 장치는 별도의 판독 회로(4)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    각각의 픽셀(pixel)은 상기 장치들 중 하나에 의해 형성되는 큰 다중-픽셀 어레이를 형성하는 것을 특징으로 하는, 시스템.
  15. 특히, 광 시간 영역 반사 측정법(Optical Time-Domain Reflectometry; OTDR), 광 탐지 및 거리 측정기(Light Detection and Ranging; LiDAR), 양전자 방사 단층 촬영(Positron Emission Tomography; PET) 스캐너, TOF 카메라로 구성된 그룹에서 선택된 응용 분야에 대한 양자 키(quantum key) 분배, 광학 자유 공간 통신, 및 비행 시간(TOF) 측정을 위한, 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 장치 및/또는 제 13 항 또는 제 14 항에 따른 시스템의 용도.
KR1020217039307A 2019-07-11 2020-06-16 병렬 연결된 복수의 초전도성 검출 수단을 이용한 단일 광자 검출 장치 및 시스템 KR20220073700A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP19185824.0A EP3764068B1 (en) 2019-07-11 2019-07-11 Device and system for single photon detection using a plurality of superconducting detection means connected in parallel
EP19185824.0 2019-07-11
PCT/EP2020/066591 WO2021004733A1 (en) 2019-07-11 2020-06-16 Device and system for single photon detection using a plurality of superconducting detection means connected in parallel

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20220073700A true KR20220073700A (ko) 2022-06-03

Family

ID=67262094

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020217039307A KR20220073700A (ko) 2019-07-11 2020-06-16 병렬 연결된 복수의 초전도성 검출 수단을 이용한 단일 광자 검출 장치 및 시스템

Country Status (7)

Country Link
US (1) US11988551B2 (ko)
EP (1) EP3764068B1 (ko)
JP (1) JP2022540295A (ko)
KR (1) KR20220073700A (ko)
CN (1) CN114096817A (ko)
CA (1) CA3142392A1 (ko)
WO (1) WO2021004733A1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4341655A2 (en) * 2021-05-17 2024-03-27 Nanyang Technological University Method of detecting photons and photon detector arrangement

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5331162A (en) * 1991-11-22 1994-07-19 Trw Inc. Sensitive, low-noise superconducting infrared photodetector
US6812464B1 (en) 2000-07-28 2004-11-02 Credence Systems Corporation Superconducting single photon detector
RU2327353C2 (ru) 2005-12-12 2008-06-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Северо-Кавказский государственный технический университет" Устройство для тумблирования мяса
RU2327253C2 (ru) 2006-08-15 2008-06-20 Закрытое акционерное общество "Сверхпроводящие нанотехнологии" (ЗАО "Сконтел") Быстродействующий сверхпроводниковый однофотонный детектор с полосковыми резисторами
JP5846626B2 (ja) 2011-07-12 2016-01-20 国立研究開発法人情報通信研究機構 超伝導単一光子検出システムおよび超伝導単一光子検出方法
US9240539B2 (en) * 2012-04-26 2016-01-19 National Institute Of Standards And Technology Efficient polarization independent single photon detector
JP6388815B2 (ja) 2014-10-27 2018-09-12 国立研究開発法人産業技術総合研究所 粒子検出器
CN106289515B (zh) 2016-07-19 2017-12-19 天津大学 一种带有自增益结构的超导纳米线单光子探测器

Also Published As

Publication number Publication date
JP2022540295A (ja) 2022-09-15
US20220236108A1 (en) 2022-07-28
EP3764068A1 (en) 2021-01-13
US11988551B2 (en) 2024-05-21
CN114096817A (zh) 2022-02-25
CA3142392A1 (en) 2021-01-14
EP3764068B1 (en) 2023-11-29
WO2021004733A1 (en) 2021-01-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhao et al. A compact superconducting nanowire memory element operated by nanowire cryotrons
Dauler et al. Photon-number-resolution with sub-30-ps timing using multi-element superconducting nanowire single photon detectors
Verma et al. A four-pixel single-photon pulse-position array fabricated from WSi superconducting nanowire single-photon detectors
CN106289515B (zh) 一种带有自增益结构的超导纳米线单光子探测器
Sidorova et al. Physical mechanisms of timing jitter in photon detection by current-carrying superconducting nanowires
Annunziata et al. Reset dynamics and latching in niobium superconducting nanowire single-photon detectors
US20130143744A1 (en) Superconducting nanowire avalanche photodetectors (snaps) with fast reset time
JP5846626B2 (ja) 超伝導単一光子検出システムおよび超伝導単一光子検出方法
US8351166B2 (en) Leakage sensor and switch device for deep-trench capacitor array
Revin et al. Microwave photon detection by an Al Josephson junction
KR20220073700A (ko) 병렬 연결된 복수의 초전도성 검출 수단을 이용한 단일 광자 검출 장치 및 시스템
RU2327253C2 (ru) Быстродействующий сверхпроводниковый однофотонный детектор с полосковыми резисторами
RU2346357C1 (ru) Сверхпроводниковый фотонный детектор видимого и инфракрасного диапазонов излучения, различающий число фотонов
CN108666388B (zh) 集成光学薄膜滤波器的超导纳米线单光子探测器
JP5093654B2 (ja) 粒子・光子検出器
JP6684400B2 (ja) 超伝導単一光子検出器
Goltsman et al. Ultrafast superconducting single-photon detector
Vornicu et al. Compact CMOS active quenching/recharge circuit for SPAD arrays
Allport et al. First tests of a reconfigurable depleted MAPS sensor for digital electromagnetic calorimetry
JP6206837B2 (ja) 超伝導単一光子検出器およびその受光配線の構造決定方法
JP6015948B2 (ja) 粒子・光子検出器
DE112019004094T5 (de) Vertikale oberflächenemittierende hohlraumlaser mit geringer divergenz, und module und geräte, die diese einbeziehen
Manova et al. Superconducting photon counter for nanophotonics applications
Marsili et al. Superconducting parallel nanowire detector with photon number resolving functionality
Crotti et al. Avalanche current read‐out circuit for low‐jitter parallel photon timing