基于超導(dǎo)單光子探測(cè)器的紅外光學(xué)系統(tǒng)噪聲分析和優(yōu)化

高靈敏度的紅外探測(cè)系統(tǒng)對(duì)于遠(yuǎn)距離探測(cè)有巨大的潛力，但光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲會(huì)抑制探測(cè)系統(tǒng)的信噪比，從而降低探測(cè)靈敏度與探測(cè)距離。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院超導(dǎo)電子學(xué)研究所和網(wǎng)絡(luò)通信與安全紫金山實(shí)驗(yàn)室組成的科研團(tuán)隊(duì)在《物理學(xué)報(bào)》期刊上發(fā)表了以“基于超導(dǎo)單光子探測(cè)器的紅外光學(xué)系統(tǒng)噪聲分析和優(yōu)化”為主題的文章。該文章第一作者為周飛，通訊作者為張蠟寶教授。

本文基于紅外超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器（SNSPD），設(shè)計(jì)了一個(gè)工作在中紅外波段的光學(xué)系統(tǒng)，構(gòu)建了紅外光學(xué)系統(tǒng)自發(fā)輻射計(jì)算模型，理論分析了紅外光學(xué)系統(tǒng)的信噪比和噪聲特性。首次提出了利用高性能超導(dǎo)單光子探測(cè)器精確表征紅外光學(xué)系統(tǒng)的微弱背景輻射光信號(hào)，為優(yōu)化設(shè)計(jì)紅外系統(tǒng)提供了依據(jù)。并且基于超導(dǎo)單光子探測(cè)器的光子計(jì)數(shù)能力，研究了光學(xué)系統(tǒng)的背景輻射對(duì)紅外探測(cè)系統(tǒng)性能的影響，并優(yōu)化了光學(xué)系統(tǒng)的性能。

紅外SNSPD測(cè)量系統(tǒng)

制冷型紅外探測(cè)系統(tǒng)具有靈敏度高、暗噪聲低的優(yōu)點(diǎn)，更加適用于遠(yuǎn)距離探測(cè)和背景輻射嚴(yán)重的場(chǎng)景探測(cè)。本文借助SNSPD的光子計(jì)數(shù)能力對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的性能進(jìn)行表征與分析。搭建的紅外SNSPD的測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(a)所示，包含黑體源、光學(xué)系統(tǒng)、制冷機(jī)、SNSPD和電學(xué)讀出部分組成。作為紅外光源，黑體源采用的是MIKRON的M305紅外光源，溫度范圍為100 - 1000℃。制冷機(jī)的三層窗口片均為在0.6 - 16 μm有較高透過率的硒化鋅窗口片，制冷機(jī)結(jié)構(gòu)由四層結(jié)構(gòu)組成，為SNSPD提供可正常工作的超低溫環(huán)境，四層制冷結(jié)構(gòu)由外到內(nèi)的溫度分別為300 K、40 K、3 K和0.05 K。

SNSPD安裝在制冷機(jī)的最內(nèi)層0.05 K的制冷結(jié)構(gòu)中，光敏區(qū)域的方向正對(duì)著窗口的方向。為減小能量損失，所有光學(xué)元件中心以及SNSPD的光敏區(qū)域的中心均在同一光軸上。黑體源被固定在氣浮減震平臺(tái)上以減小結(jié)構(gòu)擾動(dòng)帶來的干擾，黑體輻射經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)和四層窗口片后，聚焦耦合至SNSPD的光敏面上，SNSPD的光敏區(qū)域接收到光子后產(chǎn)生響應(yīng)，并通過電學(xué)讀出實(shí)現(xiàn)光子探測(cè)與光子計(jì)數(shù)。

圖1 (a)紅外SNSPD的測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；(b)紅外測(cè)量系統(tǒng)實(shí)物圖

仿真分析與模型建立

高靈敏的紅外探測(cè)系統(tǒng)可以具備很高的溫度分辨能力，實(shí)現(xiàn)更加精密的熱紅外探測(cè)，相關(guān)探測(cè)靈敏度通常通過噪聲等效溫差（NETD）來表征。NETD象征著探測(cè)器能探測(cè)到的目標(biāo)物體與背景之間的最小溫差。若要提升探測(cè)系統(tǒng)的靈敏度，首先需要對(duì)探測(cè)系統(tǒng)的信噪比（SNR）和噪聲特性進(jìn)行分析。SNSPD通過光子計(jì)數(shù)率（PCR）來表征信號(hào)光的強(qiáng)度，PCR越大，信號(hào)光強(qiáng)度越大。背景計(jì)數(shù)率（BCR）用來表征背景輻射的強(qiáng)度。

黑體源產(chǎn)生的紅外輻射在到達(dá)探測(cè)器光敏面之前，會(huì)經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)和四層窗口片，故紅外探測(cè)系統(tǒng)的自發(fā)輻射分為兩部分，一部分是制冷機(jī)外部的光學(xué)系統(tǒng)帶來的自發(fā)輻射，另一部分是制冷機(jī)窗口片帶來的自發(fā)輻射。實(shí)驗(yàn)方案中的光學(xué)系統(tǒng)總共包含一個(gè)反射鏡、一個(gè)耦合透鏡和四層窗口片，本文以這六片鏡片作為對(duì)象，建立光學(xué)系統(tǒng)自發(fā)輻射模型。

通過對(duì)光學(xué)系統(tǒng)中鏡片的自發(fā)輻射的分析，得到了光學(xué)系統(tǒng)鏡面自發(fā)輻射與紅外探測(cè)光敏面上輻照度之間的關(guān)系，進(jìn)而可以得到該紅外SNSPD光學(xué)系統(tǒng)的自發(fā)輻射模型。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

當(dāng)溫度變化ΔT時(shí)，NETD隨著輸出電壓噪聲的均方根的增大而增大，與ΔT內(nèi)電壓的變化量成反比。從提高紅外探測(cè)系統(tǒng)的靈敏度出發(fā)，需要降低NETD的值，就需要降低NETD輸出電壓噪聲的均方根，即降低光學(xué)系統(tǒng)的噪聲對(duì)紅外探測(cè)系統(tǒng)的影響，同時(shí)需要提高ΔT內(nèi)輸出電壓的變化量，提高探測(cè)系統(tǒng)的信噪比。對(duì)于SNSPD而言，其光子計(jì)數(shù)能力對(duì)于定量的表征光學(xué)系統(tǒng)的噪聲特性有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

如圖1(b)所示為本方案的紅外SNSPD空間測(cè)量系統(tǒng)實(shí)物圖，黑體校準(zhǔn)源出射口的直徑大小為25.4 mm。黑體產(chǎn)生的紅外光源經(jīng)出射口到達(dá)反射鏡，再經(jīng)反射鏡反射后經(jīng)過透鏡聚焦，并穿過四層窗口片后到達(dá)探測(cè)器的光敏區(qū)域。為保證光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從黑體源到制冷機(jī)最外層窗口之間采用25.3 mm的同軸光學(xué)系統(tǒng)。為了避免外界雜散輻射進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)，本方案采用了可調(diào)節(jié)屏蔽套管來阻止外界雜散輻射的進(jìn)入，從而確保BCR足夠小。

本方案設(shè)計(jì)并制備了一個(gè)中紅外SNSPD，器件采用雙面拋光的硅襯底，并且在硅襯底上制備了一層MoSi超導(dǎo)薄膜，在超導(dǎo)薄膜上沉積了一層金作為SNSPD的電極，最終經(jīng)過電子束曝光刻蝕出納米線，圖2(a)所示為該SNSPD的納米線區(qū)域在SEM掃描電鏡下的觀測(cè)圖。所制備的SNSPD的光敏面的大小為10 μm×10 μm，電流-電壓特性曲線如圖2(b)所示，器件的超導(dǎo)臨界電流為3.2 μA。

圖2 (a) SNSPD的SEM觀測(cè)圖（納米線的線寬為30 nm）；(b) SNSPD的電流-電壓特性曲線

首先，利用SNSPD的光子計(jì)數(shù)能力表征了光學(xué)系統(tǒng)帶來的背景輻射，當(dāng)黑體源關(guān)閉時(shí)，偏置電流固定在2.79 μA，在5 min內(nèi)觀測(cè)光子計(jì)數(shù)情況如圖3(a)所示，5 min內(nèi)探測(cè)系統(tǒng)的BCR波動(dòng)較小，均值為1.0×10? cps，均方根σBCR為454 cps，BCR和σBCR以光子數(shù)的形式定量表征了光學(xué)系統(tǒng)自發(fā)輻射所產(chǎn)生的背景噪聲及其抖動(dòng)，結(jié)果表明該光學(xué)系統(tǒng)本征熱輻射較小，與仿真分析較為吻合。

圖3 (a) 探測(cè)系統(tǒng)的BCR（200 s內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)差為454 cps）；(b) 不同溫度下的PCR和ΔPCR

對(duì)于光子計(jì)數(shù)型探測(cè)器而言，BCR的值越大，表明探測(cè)系統(tǒng)中的噪聲越大，因此，要想提高探測(cè)系統(tǒng)的靈敏度，就要提高探測(cè)系統(tǒng)的SNR，一來通過提高探測(cè)系統(tǒng)的PCR來提高ΔPCR的值，二來是通過降低BCR，減小光學(xué)系統(tǒng)由于自發(fā)輻射帶來的噪聲。為了提高PCR，首先要確保光學(xué)系統(tǒng)的出射口的黑體輻射光斑與SNSPD的光敏區(qū)域盡可能同軸，從而保證較高的空間耦合效率。

由于SNSPD安裝在制冷機(jī)最內(nèi)層，無法實(shí)時(shí)觀測(cè)SNSPD與光學(xué)系統(tǒng)出射口的耦合情況，僅有窗口區(qū)域允許制冷機(jī)內(nèi)部與外界進(jìn)行通信。然而較低的耦合效率會(huì)帶來較大的能量損失，導(dǎo)致PCR的降低，從而影響SNSPD探測(cè)系統(tǒng)的NETD。SNSPD的光子分辨能力可以通過光子數(shù)定量的表征輻射源與SNSPD的光敏區(qū)域的空間耦合的情況，通過微調(diào)光學(xué)平臺(tái)來移動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)和制冷機(jī)窗口的位置，實(shí)時(shí)觀測(cè)PCR的變化，在水平面上向一固定方向平移2 mm的移動(dòng)范圍內(nèi)，如圖4(a)所示。

由于黑體源出腔口的大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于探測(cè)器光敏面的大小，所以即使通過微調(diào)光學(xué)系統(tǒng)出射口與制冷機(jī)窗口的相對(duì)位置使光源與SNSPD的光敏面同軸，也會(huì)存在大量紅外輻射傳播至探測(cè)器光敏面之外的位置，導(dǎo)致大量的能量損失。為降低能量損失，使更多的紅外輻射到達(dá)探測(cè)器光敏面，需要使用聚焦透鏡來縮小黑體輻射的光斑，使得紅外輻射被盡可能地耦合至探測(cè)器光敏區(qū)域，從而提高PCR。

圖4 (a)和(b)：溫度分別為100 ℃和102 ℃時(shí)，2 mm移動(dòng)范圍內(nèi)PCR的變化情況；(c)和(d)：溫度分別為100 ℃和102 ℃時(shí)，使用耦合透鏡前后的PCR

為提升測(cè)量系統(tǒng)的SNR，除了提升PCR的數(shù)值，有效抑制BCR也尤為重要。在紅外聚焦透鏡的下方，利用兩端長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)套管將其構(gòu)成三明治結(jié)構(gòu)，其中上層套管有兩個(gè)作用，一來用于調(diào)節(jié)焦距，二來根據(jù)焦距調(diào)節(jié)聚焦透鏡到制冷機(jī)窗口之間的長(zhǎng)度，下層套管負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)焦距和根據(jù)焦距調(diào)節(jié)聚焦透鏡到反射鏡的距離，從而確保光學(xué)系統(tǒng)的常溫部分沒有外界雜散輻射的引入。除了本文所采用的在常溫部分通過屏蔽套管抑制外界雜散輻射外，制冷機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)也能大大降低BCR，可以通過在探測(cè)器前端增加一個(gè)效率為100%的冷闌，只允許探測(cè)目標(biāo)的輻射通過該冷闌。還可以通過在制冷機(jī)最內(nèi)層結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁涂敷黑色金屬圖層，降低制冷機(jī)內(nèi)部雜散輻射的干擾。

結(jié)論

SNSPD的光子計(jì)數(shù)能力是對(duì)紅外光學(xué)系統(tǒng)噪聲特性定量表征的一種新穎且重要的方式，對(duì)紅外光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展具有重要的意義。本文理論分析了紅外SNSPD光學(xué)系統(tǒng)的噪聲的來源，并建立了基于SNSPD的紅外光學(xué)系統(tǒng)的信噪比與背景輻射計(jì)算模型，首次提出了利用SNSPD表征紅外光學(xué)系統(tǒng)的背景輻射強(qiáng)度，并且基于SNSPD的光子計(jì)數(shù)能力分析了SNSPD紅外光學(xué)系統(tǒng)的性能與NETD和SNR的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)表明SNSPD可識(shí)別的系統(tǒng)最小移動(dòng)距離為2.74 × 10?2 mm，并通過對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的分析與優(yōu)化，在黑體溫度為100℃時(shí)，空間耦合效率提升了97%，信噪比提升了2.7倍，對(duì)高靈敏度的超導(dǎo)紅外探測(cè)系統(tǒng)的研究具有一定的指導(dǎo)意義。

審核編輯：劉清