TW508433B - Superconducting single photon detector - Google Patents

Description

508433 五、發明說明（1) 本發明大致有關光子偵 器。 m且更特別有闕單光子偵測 ▼ 光子偵測器係為一種光入射皇上 出訊號的*f。有二光子# “ 電麼或電流輸 及量子峰、線性❹㈣測器 數的輸出訊號。量子㈣器提供 時的輸出訊號。 町尤之光子偵測 ' 。、單光子偵測器係為可偵測一次一個入射光子的量子伯 2 1§。商用單光子偵測器可以電磁光譜之長 冬區域中的光子。$些商用谓測器包括石夕突崩光=長 APDS)，如來自EG&G 光電子（Opt〇electr〇nics)的部 伤唬C3 09 54。針對90 0毫微米波長之光子，典型的矽突崩 光二極體具有70安培/瓦的響應，針對1〇64毫微米波長之 光子，其下降至36安培/瓦。目前可用之矽突崩光二極體 並不敏感到足以偵測大於11 〇 〇毫微米波長的光子。 被製造自超導氮化鈮膜片之熱電子光子偵測器的特性 係被討論於 Applied Phvsics Letters 第 73 冊 26 號（1998 年 12 月 18 日）頁3938 - 3940 之 K.S II’ in, I· I. Milostnaya， A·A· Verevkin, G·Ν· Gol’ tsman， Ε·M. Gershenzon，及

Roman Sobolewski的”超導熱電子光子偵測器的終極量子 效率π，及 Applied Physics Letters 第 76 冊1 9 號Γ 2f)nn 年r 月8 日）頁2752-2754 之 K.S Il’in， M.Lindgren，Μ·

Currie, A. D. Semenov, G. N. Gol’tsman，Roman Sobolewski， S.I· Chereduichenko及Ε·Μ· Gershenzon 的 第6頁 508433 五、發明說明（2) ---~--- M氮化銳超導光子偵測器中之微微秒熱電子能量鬆弛”， 兩者出版品在此均被併入參考。上述文章的某些作者亦為 此揭示的發明者。當第一篇文章建議"氮化鈮此微微秒應 可偵測遠紅外線輻射之單量子及成功地競逐具有SIS通^ 裝置之單光子债測器” ( A^pned Physics Letters第73冊 ，，頁3940 )，則無進一步的相關揭示。第二篇文章討 娜氮化鈮中之熱電子效應的固有反應時間，其可應用至線 性及量子氮化鈮光子偵測器。 、 一 f揭示藉由針對從可見光至遠紅外線光譜區域波長之 $子提供一種具有良好量子效率的單光子、時間解決偵測 一實施例中， 體係被靠近超導體 收單入射光子時提 中’超導體係為氮 超導體具有彎曲外 光源之光子的機率 單光子偵測器包括一 之臨界電流的電流偏 供可辨識之輸出脈衝 化銳膜片的窄跨接片 型以增加其表面積且 串超導物質。超導 壓。該超導體於吸 訊號。一實施例 。另一實施例中， 因而增加吸收來自 本單光 衛星通訊、 測試。 I偵測器可被用於各種應用，包括自由太空及 s子通訊、量子密碼、弱冷光、及半導體裝置 圖式簡單說明 光子偵測器（SSPD)之光 測器的平面圖。 第一圖A顯示使用本超導體單 子計數器的方塊圖。 第一圖B顯示超導體單光子谓

508433 五、發明說明（3) 第一圖C顯示具有彎曲外 平面圖。 （等體早光子偵測器的 整個超導體單光子偵圖:^ ::二人認為吸收單光子時引發 第三圖A至第:匕t之電遷的物理過程。 的橫斷面圖。—圖L|f示被製造之超導體單光子谓測器 第四圖A顯示包括本 第四圖β顯示被顯：：：先子侦測器的方塊圖。 器之偏壓安置的進一步細節。之本超導體單光子偵測 第四圖(：顯示用於42^對 之典型電流-電壓圖。 又等體早光子偵測器 第五圖顯示使用顯示於第四圖八之 導體單光子偵測器之輪出脈衝的機率做、之偵測來自超 或同等地每裝置每脈衝的光子數。為母脈衝入射光能 第/、圖Α及第六圖β顯示被用於第 體單光子偵測器之典型輸出訊號的波型i之裝置之超導 第七圖顯示被用於第四圖A之裝 、 測器之輸出訊號的示波執跡。 超導體單光子偵 。第人圖A至第人圖C顯示對輕合光 器之各種安置的圖式。 ^ ^體早光子偵測 使用相同參考數字於不同圖形 件。再者，此揭示中之圖形係為繪表：不相同或相等元 製。 衣不且不按比例繪 第一圖A顯示包括如本發明之 f施例之超導體單光 第8頁 508433 五、發明說明（4) 子偵測器（SSPD)之光子計數器1〇的方塊圖。束考第一 A ’超導體單光子谓測器12可侦測包括適當光子(無圖^ 之光源11所發出的光子16。應了解到光源1](不必為 子計數器10 ’且例如為轉換時發射光： 射光子時’超導體單光子編12回應產 = 13放大的電子輸出脈衝訊號。各輸出脈衝訊號係被^; =統（DAQ)14(如被裝設合適電路及軟體的電腦）記錄及又 7實施例中，超導體單光子偵測器丨2係為超導物質之 以提供吸收單入射光子時的輸出脈 衝汛唬。如第一圖β之平面圖所示，此例中之超導體單光 子偵測器12係為具有約200毫微米之寬度D1、約i微米 度Μ及約5毫微米之厚度之氮化銳膜片的窄跨接片。直流 ，壓源（無圖。示）提供經由金接點墊片之偏壓電流至超導體 早光子债測器12。超導體單光子偵測器12及接點塾片^依 慣例地被放置於基板上；合適的基板包括用於紅外線及可 見^用的藍寶1及石英。石夕亦可當作如用於紅外線應用 的土板超導體單光子偵測器1 2通常但非必要面對光源 、"田缺^、入射光子及超導體單光子偵測器1 2依慣例地被 冷部至超導狀悲下，因為超導體單光子偵測器丨2為超導體 且，此於超導狀怨時為零阻抗，所以橫越超導體單光子偵 測器12的電壓為零。入射於超導體單光子偵測器12上之光 子可將其轉換為電阻性狀態，藉此發展被資料獲取系統4 债測之橫越超導體單光子偵測器丨2的電壓。 第9頁 五 發明說明（5) 旦、&二言i 1如超導體單光子偵測器12的超導體僅當電流 Ϊ ^ ^導體^運時才保持於超導狀態’超導體溫度及環繞 ^ 之外部磁場係被維持低於被稱為臨界值的特定值。 Ξί值1也就是臨界電流、臨界溫度及臨界磁場)係為超導 +及/、尺寸的特性。為了維持超導體單光子偵測器”於 姓入射光子之超導狀態下，超導體單光子债測器12被維 蚱與、· 2絕對溫度之低於1〇絕對溫度（薄氮化鈮膜片之近似 二，溫度），、且被暴露至如慣例地具有超導體之周圍地磁 野。流經超導體單光子偵測ϋ 1 2之偏壓電流係被設定正好 低=臨界溫度以增其敏感度，藉此促成單光子偵測。超導 體單光子偵測器1 2之臨界電流係藉由良好地維持超導體單 光子偵測器1 2低於其臨界溫度及臨界磁場而被實驗性決 定，並接著增加被流經超導體單光子偵測器12之電流量直 到其從超導狀態（零阻抗）轉變為電阻性狀態（有些阻抗）。 第二圖Α至第二圖D描繪發明人認為吸收單光子時引發 整個超導體單光子偵測器之電壓脈衝的物理過程。然而: 必須了解是此不必製造或使用超導體單光子偵測器丨2。第 一圖A至第一圖D的虛箭頭描繪了流經超導體單光子偵測界 η的偏壓電流量。參考第二圖A，超導體單光子偵測哭 之光子入射創造了熱點21，係為電子溫度遠高於超導體單 光子4貞測器1 2之周圍溫度的區域。熱點2 1的直徑直接視入 射光子的能量而定。幾微微秒内，熱點2丨即進一步擴散整 個超導體單光子偵測器12且變為較大的熱點22(第二圖 B )。熱點2 2界疋無車乂長超導之超導體單光子债測器1 2中的

508433 五、發明說明（6) 區域。因為熱點2 2為電阻性區域，所以偏壓電流被迫於熱 點22周圍流動並進入仍為超導之熱點22及超導體單光子债 測器1 2邊緣。此增加仍為超導之區域的電流密度大過上述 臨界電流密度，藉此破壞超導性及創造電阻性區域24(亦. 已知為相位滑動中心）（第二圖C)。因此，電阻性區域 2 5 (第二圖D )被形成橫越超導體單光子偵測器丨2的全寬。 流經電阻性區域25之偏壓電流發展出橫越超導體單光子摘 測器1 2的電壓。 ' 熱點（也就是電阻性）區域形成後係為與電子擴散出熱 點區域及經由電子-光子弛緩機橡對電子溫度之同'時下降' 有關的冷卻處理。冷卻處理費時幾十微微秒及導致熱點 (及電阻性區域25)的自動消失，並重新建立橫越超導體單 光子铺測器1 2的超導路徑。熱點形成及癒合處理會產生具 有近30微被秒之固有寬度之脈衝型式的輸出電壓訊號。電 壓脈衝之寬度係被超導物質的特性及入射光子的能量b所決 定。因為輸出電壓脈衝具有僅幾十微微秒之存續期間，^ 以超導體單光子偵測器1 2 (及依據此揭示的其他超導體單 光子偵測器）可時間解決入射光子的能量，且可區分以非 常咼速抵達的光子（如每秒1 〇9光子以上）。 回到第一圖B來參考，一實施例中，超導體單光子偵 測器12之尺寸D1約為2 0 0毫微米。若尺寸D1明顯寬於2〇〇、古 微米’則當偏壓電流一直維持超導且可流動於最終熱點$ 圍而不會超過熱點周圍之電流密度時，可偵測之電=性區 域25(第二圖D)可能不會形成。尺寸D1可被增加來债測非⑽

508433 五、發明說明（7) ---~- 常南能$ (如紫外線）的光子。為了偵測紅至近紅外線光 子，200¾微米之尺寸D1係適用於氮化鈮超導體單光子偵 測器。-實施例中，窄區段之長度尺寸D2係為i微米。窄 區段之長度並不影響產生輸出電壓脈衝之物理過程，但合 改變表面積及超導體單光子偵測器12的整個量子效率。二 實施例中，窄區段之厚度約5毫微米。超導體單光子偵測 器12的厚度直接影響熱電子熱化及弛緩處理，其負責癒合 熱點。當然，在此被提供之尺寸及臨界值對被揭示案例係 為特定（其被設計來偵測紅及近紅外線光子），且可視光子 月b I5白及被使用之超導物質而變化。例如，超導體單光子债 測器1 2的尺寸可被修改來偵測具有超音波、可見或遠紅外 線光譜區域中波長的光子。 通常，任何薄及窄跨接片的超導物質可依據本揭示被 當做超導體單光子偵測器。如鈮、鉛或錫之其他金屬超導 體（俗稱低溫超導體）可被以較寬些D1尺寸製造以偵測紅及 近紅外線光子。然而，這些其他金屬超導體之時間解決並 不如氮化鈮，因為其慢熱電子弛缓處理而具有較長的輸出 電壓反應（毫微秒至甚至微秒的範圍間）。如氧化釔-鋇一銅 化合物之最近被發現的高溫超導體，係被預期要求具有約 1 〇毫微米至1 0 0毫微米階數之D1尺寸及具有約1微微秒階數 之反應時間。 第一圖C顯示相同於超導體單光子偵測器1 2之外型之 超導體單光子债測器1 0 1的平面圖。超導體單光子债測器 1 〇 1具有彎曲外型用以最大化其上表面積，及藉此增加其

第12頁 五、發明說明（8) "一'' --—--- ，收，自光源之入射光子的機率。一例中，超導體單光子 ^測is 1 0 1係為具有約〇 · 2微米之寬度D5、約3微米之裝置 度D6及約5毫微米之厚度的連續氮化鈮膜。 外型（如鋸齒狀）亦可被使用。 方，、他_曲 第二圖A至第三圖^顯示依據一實施例被製造之如超導 =早光子偵測器12之超導體單光子偵測器的橫斷面圖。被 ^ ^且不必了解製造處理的步驟已被刪除。再者，當特定 衣k處理參數被提供時，其他實施例並不被如此限制，因 為一熟悉技術人士可使用其他製造處理來製造超導體單光 子，測器。參考第三圖A，5毫微米厚氮化鈮膜片32係藉由 電抗磁控管濺射被放置於基板31。電抗磁控管濺射處理係 使用具有以下參數之德國Leybold —Herauss提供之l—h z —400濺射系統類型： 剩餘壓力為1 · 3 X 1 〇-6微杷； 基板溫度為攝氏90 0度； 部份氮壓力為1 · 3 X 1 〇-5微杷； 部份氬壓力為1. 3 X 1 0-3微te ; 放電電壓為260伏特； 放電電流為3 0 0微安培。 例如，基板3 1為被磨光於有效側面的3 5 0微米厚藍寳 石基板。其他基板亦可被當做被磨光於兩側面之丨25微米 厚Z切割單晶石英。任何具有低微波漏失及良好酷冷特性 之咼品質介電物質均可被當做基板。 第二圖B至第二圖D描繪用於接續光刻法及電子束平版

第13頁

光致抗蝕劑物質為AZ 1 5 1 2 ; 每秒30G0-5000轉旋轉； 以攝氏90度烘烤30分鐘。 KARL SUSS MA-56對準器李祐用难脸+ l , j干你被用來將光致抗蝕劑罩 最終結構上，100毫微米厚金層35係二用J 層金屬化處理被形成於5毫微米厚鈦層34頂部上（第三圖 C )。金層3 5及欽層34得以當，、四芬1 κ 曰你以至/皿及1 · 5 X I ο-5托剩餘壓力藉由 真空蒸發來形纟。光致抗㈣罩幕33係藉由浸入該結構於 丙酮約3分鐘或更長而被拿開，剩餘包含金層35及鈦層 34的對準結構（第三圖d)。 第二圖E至第三圖G描繪形成内部接觸墊片於氮化鈮 32。第三圖E中，400毫微米厚電子抗蝕劑罩幕36係藉由使 用下列參數之傳統電子束平版印刷法被形成及模製於氮化 鈮32 : 電子抗蝕劑物質為PMMA 9 5 0， 475 ; 每秒3G00轉旋轉； 以攝氏130度烘烤10_30分鐘； 電子束暴露電流為3 Ο p安培； 電子束暴露電壓為25仟伏特。 被顯示於第三圖E及第三圖G如尺寸D2(亦見第一圖B)之電 子抗敍劑罩幕3 6之中間區段的長度範圍，可從約〇. 1 5微来 508433 五、發明說明（10) 至10微米以改變一實施例中之超導體單光子偵測器的有效 長度。電子抗蝕劑罩幕36係使用以下參數被清潔於氧電漿 中： 氧氣壓為1 0_2托； 剩餘壓力為1 〇-5托； 放電電流為1 0微安培； 處理時間為1 5秒。 4〇〇毫微米厚金層37接著使用雙層金屬化處理被形成於3毫 微米厚鉻層3 8的頂部（第三圖F )。金層3 7及絡層3 8係使用 德國Leybold-Herauss之L-H9 60電子束蒸發系統以室溫及2 x 1仏6托剩餘壓力藉由真空蒸發被形成。電子抗餘劑罩幕 36接著被拳開，剩餘包含金層37及鉻層μ的内部接觸墊片 (第三圖G)。 第二圖Η至第二圖J描繪一個用於稍後離子銑削處理步 驟之”堅固”罩幕之二氧化矽罩幕的形成。第三圖11中，電 子抗蝕劑罩幕39係使用類似被用於上述形成電子抗蝕劑%罩 幕36之處理而被形成於氮化鈮32。二氧化矽層“接 土二發於如第三圖I之最終結構上。電子抗蝕劑罩幕'、 旱開，剩餘包含二氧化石夕層41的二氧化石夕罩幕（第三圖 J)。可對光子透射之二氧化石夕罩幕係界 偵測器的寬度。 體早先子 用於耦合氮化鈮32至諸如偏壓源之外部設 7-10毫微米厚鈦層43頂部上之200毫微 ι 3 接觸塾片係如第三《所示而被形成。外；

.ΕΗ 第15頁 五、發明說明（11) 用類似被用於形成金層37及鉻層38之處理而被形成。界定 超^體單光子偵測器裝置之外部接觸墊月及對準結構之間 的氮化鈮3 2構件接著藉由氬離子銑削而被移除（第三圖 第四圖A顯示包含超導體單光子偵測器12的脈衝計數 L6L的Λ塊Λ。脈衝計數，超導體單光子彳貞測器κ 為200笔楗米覓’丨微米長及5毫微米厚的氮化鈮膜片。光 源11輸出光脈衝16至光束分裂器62，其可分裂光用以輸入 = ί光電偵測器64。脈衝計數器60中，光源η係 為以§其為來自Coherent User Group(MIRA雷射）之 modeiocked IR雷射約76百萬赫兹或當其為來自光譜-物理 (海嘯雷射）之mode locked雷射約82百萬赫茲重複速率產 =脈衝的雷射。光源u亦可為被調變 的珅化，半導體雷射。此例中，來自光源u之光子：：： 微米至210。毫微米波長之光子早來先達子/測二可以 列吸收據，，其被用來減少：㈡導工6二、為-系 之光子數量至低於平均每脈衝；先Γ偵測器12 被添加至或被移除自衰減器63 , *播及收慮器可 率為0.01，產生每100脈衝平均擁有一 ^子。一光子的機 通過衰減器63的光子係使用傳統隹 導體單光子偵測器1 2。直流偏壓嗎β “、、，見被聚"、、至超 偏壓-τ 66之偏壓電流至超導體單光供經。由寬頻冷卻" 於第四圖Β)。超導體單光+秸％ '則器1 2 (亦被顯示 早先子福測器12之輸出訊號經由偏壓 508433

-Τ 66被耦合至”冷卻”放大器68，其被傳送出低溫值、w哭 69之前係用於放大。恆溫器69係為可維持超導-體·""單溫器 測器1 2低於其界溫度之溫度的傳統液態氦低溫值二哭、 傳統酷冷功率放大器之冷卻放大器68具有約5絕對溫1产〜、 卜2十億赫茲頻率範圍及30分貝增益（Kp)的熱等效=广。' 偏壓-Τ 66、冷卻放大器68、超導體單光子偵测器& =依 慣例地被包覆於恆溫器6 9内。冷卻放大器6 8之輪出訊號係 進一步被功率放大器70放大以擴大超導體單光子領測器 之輸出訊號至可被單發射示波器71可偵測的位準。'功^放 大器70具有約0· 2瓦、〇· 9-2· 1十億赫茲頻率範圍及32分貝 增盈（Κρ)的特定化峰值輸出功率。 傳統光電偵測器64可偵測來自光束分裂器62的分裂光 脈衝，及提供觸發示波器71之輸出訊號以獲得來自功^放 大器70的訊號。電荷耦合視訊攝影機72可對示波器的螢 幕照相，並接著被下載至具有視訊捕捉硬體的電腦Μ做分 ，\ =括示波器71、電荷耦合視訊攝影機72及電腦73的資 料獲彳于元件係為其他做為例證的類似描繪元件。 、、第四圖Β顯示超導體單光子偵測器丨2之電子偏壓安置 ，，一步細節。如第四圖Β所示，5 〇歐姆傳輸線4 〇 2 (也就 =傳輸線402Α、402B、403C及402D)係被用來耦合超導體 =光子偵測器1 2至偏壓—τ 6 6、直流偏壓源6 7及冷卻放大 =68。超導體單光子偵測器12及傳輸線4〇2α之間的耦合係 二由超導體單光子偵測器1 2外殼部份的傳統高頻寬連接 。偏壓-Τ 66具有一個直流埠及一個交流埠，其被描繪

508433 五、發明說明（13) 於第四圖β當做電感器，’L”及電容器”c，，。偏壓-τ 66之電感 器及電容器較佳係不與溫度相依。吾人亦可測量酷冷溫度 時之特定偏壓-Τ 66的效能，並決定組成值如何依溫度改 變基礎下的適當組成值。此例.中，約4絕對溫度之加f 下，針對電感器"L"之適當組成值為0.2微亨利&或更1多&且針 對電容器"C"之適當組成值為1 0 0 0微微法拉第或更多。來 自超導體單光子偵測器1 2之被施加脈衝之電壓輸出訊號， 於經由傳輸線402C被傳送出恆溫器69之前係被施加^壓 之^直机淳且被冷部放大器68放大。來自直流偏壓源 67的偏壓電流係經由偏壓-τ 66之直流埠被供應至超導體 :光子债測器12。直流偏壓源67具有一個用於提供偏壓電 =的可變直流電流源403、-個用於讀取被供應偏壓電流 的電流计406及一個用於讀取橫越超導體單光子偵 之電壓的電壓計405。直流偏壓源67亦包括一個可； ^制器407，用來限制當轉換至電阻性狀態之橫越超導體 Ιί子的電壓°電壓限制器407的典型設定約3微 寺至5微伏特。超導體單光子偵測器丨2的臨界電流 ΐϋΐΓΛ69維持超導體單光子㈣器12低於其臨界溫 2圍地磁場低於超導體單光子偵測器12 ::界磁％)。直流電流源403接著被調整直到超導體單光 ^偵測器12從超導狀態轉變為電阻性狀態為止。轉換超導 Ϊ，ί Γ貞測器12為電阻性狀態之使用電流計綱讀取的 :壓電>:係為臨界電流。超導體單光子偵測器以正常係以 低於界電流的偏壓雷流來逯朴、_ ^ u _ μ 508433

=12之偏壓電流的典型範圍係為4〇-5〇微安培。較 =，偏壓電流被設定儘可能接近臨界電流，而不合 綠t入射光子T將超導體單光子制1112轉換為i 性狀 第四圖C顯示用於4· 2絕對溫度之超導體單光子 12,典型電流-電壓圖。第四圖c中，垂直軸標示著被電

之流、經超導體單光子㈣器12的直流偏壓電流L 體Λϋ而水平軸標示著被電壓計4G5測量之橫越超導 導：-:=器12的電壓（第四圖β)。如第四圖C所示，超 2早先子伯測器12之臨界電流近似45微安培。； :二低於臨界電流’則超導體單光子偵測器 ^宅安培之垂直軌跡表示的超導狀始

:^貞測Is 12的偏壓電流為4G微安培，但只要超導體單 貞測15 1 2處於超導狀態，橫越超導體單光子偵洌哭J 2 :電二堅仍維持。毫安培(因為超導體單光子偵測器=二 匕因此於超導狀態中具有零電阻）。因此，超導體單光導 :偵測器12於正常狀況下維持在運作點"A"。當 2子债測㈣吸收光子時，超導體單光子㈣器。可變早成 二$性’精，使流經其之電流丁降且橫越其之電壓上升。 1:超導體早光子㈣器1 2之運作點從第四圖c中之被桿 =兀穩^區域（Meta Stable Regi〇n"之虛線軌跡上的A" 移至點丨丨B丨丨。注奇，點” A ,f为丨丨r ” a、丄占 ^ ^ …點A及B係破實線50歐姆負載軌跡 =，其反映被呈現至超導體單光子㈣器12之5()歐 輸線的阻抗。元穩定區域及正常電阻區域（N〇rmal

第19頁 五、發明說明（15)

Resistance Region)之間的分隔點係為對應乘上5〇歐 ^阻之臨界電流，得出第四圖c案例中的2 25毫 也 =45微安培X 50歐姆=2. 25毫伏特）。吸收光子後的短 ^月間（幾十微微秒）’超導體單光子债測器12之運作 ^點"B"。此後，超導體單光子偵測器12之運作點返回 至,w右流經超導體早光子偵㈣器12之電流被增加足夠 :^於顯示於第四圖C之案例中之45微安培， =會”臨界電流藉此移動超導體單光子❹彳—之運 、軍你至"被，不正常電阻區域"之軌跡上的點"C”。當位於 狀At Ϊ Y甘時、因為超導體單光子價測器1 2會維持電阻性 =1 壓電流被降低於臨界電流為A，所以光子偵 :12的。注意’點"C"上之橫越超導體單光子偵測' Μ係被設；t電壓限制器m所限制，此例中其為3 依陳述’單光子偵測需對被吸收光子數的線性相 雷射脈衝之被吸收光子數的平均編，從被給 予脈衝吸收η光子的機率為 ‘ 當m < < 1時， p⑻=普 ΐ = 裝置，m< 可藉由調整衰減器63 每雷射脈；：二=器丄2的光子數被降低至遠低於 的千均值來達成。從上述，每脈衝吸收一

第20頁 508433 五、發明說明（16) 光子的機率為 P(1)=m 每脈衝吸收二光子的機率為 饩2)=等 (當然，[⑴為同時吸收兩個光子於超導膜片上的相同點 t ,另外，兩光子可被計為兩個單光子）。 每脈衝吸收二光子的機率為 Ρ(3) = ίί^1 因此，針對m < < 1，每脈衝谓測 比例，每脈衝偵測到一光子的機丄系：”革係與 偵測到一光子的機率係與 圖一實;體=侦_2產生輸出 子偵_2於單到！體：光 長期被脈衝計數器6“貞測到的光脈衝數。 ，基。 被聚焦於超導體單光子们則器12之每光脈衝者 射光子的對應It，此實驗中二：：之每光脈衝之入 為平方微米。： = = = 附近。 L貝鉍性決定為45微安培 軌跡501對應至被偏壓至〇· ”。的 器1 2 (也就是臨界雷泣 v體早先子偵測 機车的線性相依，標示著單光子债測。軌跡

IMS 第21頁 508433

502對應呈被偏，至〇.9Ic的超導體單光子谓測器」2。執跡 501顯不對偵測每脈衝平均光子數之機率的平方相依，標 :著二光子偵肖。進一步降低超導體單光子偵測器12之偏 堡電流至0. 71c即產生軌跡5〇3。軌跡5〇2對應至被偏壓至 /QIC的超導體單光子偵測器12。軌跡5〇3顯示對偵測每脈 衝平均光子數之機率的立方相依，標示著三光子谓測。從 上述，設定超導體單光子偵測器丨2之偏壓電流至其臨界電 流附近可促成單光子偵測。

、第六圖A顯示超導體單光子偵測器丨2之典型輸出訊號 的波型。對應被偵測入射光子的脈衝8丨係可立即自背景雜 桌區勿出來。如第六圖β之放大圖所示，脈衝8l具有約 ，微秒之全寬半最大值^㈣㈧。脈衝8l的頻寬係被使用之 資料獲得設備而不是被超導體單光子偵測器丨2之頻寬限 制。第六圖Α及第六圖β中，垂直軸係為電壓之任意單位， 而水平軸為毫微秒。依據此揭示之超導體單光子偵測器可 藉由提供使用傳統資料獲得技術而立即被讀取之輸出電壓 脈衝來簡化偵測處理。

有關被偵測光子之能量的分光資訊亦可藉由分析超導 體單光子偵測器之輸出訊號形狀而獲得。當光子被超導體 單光子彳貞測器吸收時並打破俗稱C 〇 〇 p e Γ配對時，熱電子係 被創造出。熱電子與超導體單光子偵測器中之其他c〇〇per 配對碰撞’藉此打破Cooper配對及創造更多的熱電子。因 為被打破之Co〇per配對數與入射光子能量成比例關係，且 輸出電壓脈衝的形狀係視熱電子數而定，所以輸出電壓脈

第22頁 五、發明說明（18) 巧=射光子的能量而定。例如，吾人可整合超 我*早私伞工'貝’器12之輸出電壓脈衝做為時間的函數，並 找哥入射光子能量及整體脈衝之間的相互關係。 f七圖顯示一實驗中被示波器7丨捕捉的軌跡（第四圖 A)。軌跡701顯示光雷/f自消丨51 β a a /占、a丨、丄， 私彳貝測w b4在偵測被接收自光束分裂 ^之光脈衝吟的輸出訊號。軌跡7 〇 2顯示用於對應平均 母裝置面積、每光脈衝之1〇〇入射光子之入射光脈衝功率 之超：體單光子偵測器1 2的被放大輸出訊號。該例中，超 導體單光子债測器1 2針對各入射光脈衝產生輸出電壓脈衝 ，機率為100%。軌跡70 3顯示用於對應平均每裝置面積、 每光脈衝之40入射光子之入射光脈衝功率之超導體單光子 债測器1 2的被放大輸出訊號。同樣地，執跡7 〇 4、7 〇 5、 706、707及708分別顯示對應平均每裝置面積、每光脈衝 之1〇、5、5、1及1入射光子之入射光脈衝功率之超導體單 光子偵測器12的被放大輸出訊號。執跡7〇7及708呈現超導 體單光子彳貞測器1 2具有足以彳貞測單光子的敏感度。該軌跡 亦顯示無論有多少光子被吸收，被偵測的脈衝均具有近似 相同的外型及振幅。

第八圖A至第八圖C顯示用於耦合光至超導體單光子债 測器的各種安置圖。注意，第八圖A至第八圖c係以圖形表 示且不按比例繪製（例如，超導體單光子偵測器1 2實際上 實施時相對其基板具有零厚度）。第八圖A中，入射光束16 通過半圓透鏡803正前方的孔徑隔膜802。超導體單光子领 測器1 2之基板8 2 3可當做光學擴充器且被直接連結至半圓

第23頁 508433 五、發明說明（19) ' ____ 透鏡8 03。光束16經由半圓透鏡8〇3及基板823被 導體單光子偵測器12。半圓透鏡80 3及基板823較佳、、為超 物質使孔徑隔膜802的直徑可被最大化。超導體單光…相同 測器1 2亦可藉由延伸半圓透鏡8〇3被裝設直接面對光、 16(基板8 23的另一端）之其超導膜片。第八圖]5中，超 單光子偵測器1 2可接收來自單模式或多模式光纖8〇5的入一 射光束。不被超導體單光子偵測器丨2吸收的光係穿越基板 823且進入光被反射出鏡面8〇7之鏡8〇6，並被聚焦於超"導 體單光子谓測器1 2。弟八圖C中，自由傳播入射光束1 ^係 通過抗反射外層808、基板823、及石英（或用於紅外線應 用的石夕）拋物線透鏡8 1 0。光束1 6被反射出鏡面8 11，並被 聚焦於超導體單光子偵測器1 2。 當本發明之特定實施例已被說明時，應了解到這些實 施例係為描繪性且不受限。熟悉技術人士將會明瞭本發明 廣義原則内的許多額外實施例。

第24頁 508433 圖式簡單說明 I 0 :光子計數器 II :光源 1 2、1 0 1 :超導體單光子偵測器 13 :放大器 14 :資料獲 取 系 統 16 :光子 21 、22 :熱 點 24 、25 :電 阻 性 區 31 、8 2 3 :基板 32 :氮化鈮 膜 片 33 :光致蝕 劑 罩 幕 34 、4 3 :鈦 層 35 、37、42 金 層 36 、39 :電 子 抗 蝕 38 :鉻層 41 :二氧化 矽 層 42 •接點塾 片 60 :脈衝計 數 器 62 :光束分 裂 器 63 :衰減器 64 :光電偵 測 器 65 :聚焦鏡 66 :偏壓-T 67 :直流偏 壓 源

第25頁 508433 圖式簡單說明 6 8 :冷卻放大器 6 9 :恆溫器 7 0 :功率放大器 71 :單發射示波器 7 2 :電荷輕合視訊攝影機 7 3 :電腦 81 :脈衝 401 :高頻寬連接

402、402A、402B、402D、40 3C :傳輸線 4 0 3 :可變直流電流源 4 0 5 :電壓計 4 0 6 :電流計 4 0 7 :可調電壓限制器 501 、 502 > 503 、701 、702 、704 、705 、706 、707 、708 ： 軌跡 8 0 2 :孔徑隔膜 8 0 3 :半圓透鏡 8 0 5 :多模式光纖 80 6 :鏡

8 0 7、8 11 :反射出鏡面 8 08 :抗反射外層 8 1 0 :拋物線透鏡

第26頁

Claims (1)

1. 508433

   i · 一種福測光子的方法，包括的步驟為·· 提供超導體跨接片； 電偏壓該超導體跨接片；及 導入光至該被偏壓超導體跨接片； 其中該偏壓係位於該超導體跨接片之臨界電流附近的位 準，精此偵測入射至該超導體跨接片上的單光子。 =中請㈣範圍第丄項的方法’其中該翠光子係藉由測 里來自該超導體跨接片之輸出脈衝而被偵測出。 &如申請專利範圍第丨項的方法，其中該超導體 為氮化鈮。 牧乃你 4.如申請專利範圍第丨項的方法，其中該單光子具有介於 可見光及遠紅外線光譜區域之間的波長。 、 5英如申請專利範圍第μ的方法，其中該超 界定一彎曲。 示 申請專利範圍第2項的方法，其中該超導體跨接 有等於或小於約2 〇 〇毫微米的寬度。 八 ^ 一種光子偵測器，包括一個被耦合至偏壓源的超導膜 超導膜片被偏壓至臨界電流附近，且其中該超 導膜片具有一促成偵測單入射光子的尺寸。 、 ==利範圍第7項的光W中該超導膜片 其中該超導膜片 其中該超導膜片 9·如申請專利範圍第7項的光子偵測器 的寬度等於或小於約2 〇 〇毫微米。 1 〇·如申請專利範圍第7項的光子偵測器 508433

   在吸收該單入射光子時形成一可偵測電阻區域。 Π ·如申請專利範圍第7項的光子偵測器，進一步包括· 複數個被耦合至該超導膜片端的接觸墊片；及 片其中該偏壓源被耦合至該複數個接觸墊片的該超導膜 1 界2.定如一申二專利範圍第7項的光子偵測器，其中該超導臈片 1 片3包如括申金'專利範圍第11項的光子偵測器，其中該接觸墊 ’其中光係使用光 ，其中光係經由半

   14·、如申請專利範圍第7項的光子偵測器 纖被耦合至該超導膜片。 1 5'如申請專利範圍第7項的光子偵測器 圓透鏡破耦合至該超導膜片。