劉禹彤　李勃

摘 要：超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器作為未來(lái)深空激光通信系統(tǒng)的核心設(shè)備之一，其暗記數(shù)率對(duì)通信誤碼率有十分重要的影響。本文論述了超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器暗記數(shù)的來(lái)源于抑制方法，通過(guò)低溫制冷與片上濾光技術(shù)、優(yōu)化納米線結(jié)構(gòu)與選取合適偏置電流的方式分別降低背景與本征暗記數(shù)；對(duì)現(xiàn)有探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，得到了最優(yōu)工作狀態(tài)下的偏置電流為20.5μA，其探測(cè)效率為54%，暗記數(shù)率為195Hz。

關(guān)鍵詞：深空光通信 超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器 暗計(jì)數(shù)率 偏置電流

中圖分類號(hào)：O57 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）09（b）-0010-04

傳統(tǒng)的深空微波通信以X、S、Ka波段作為載波，并通過(guò)星載終端的大口徑、高功率天線發(fā)射和地面大口徑接收等方式完成深空數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)[1]。但隨著人類對(duì)宇宙深處探索步伐的加快，需要傳回地面站的科研數(shù)據(jù)體量也不斷增加。此時(shí)，微波通信遇到了提速瓶頸。而激光通信技術(shù)憑借其高傳輸速率、強(qiáng)保密性、抗電磁干擾、低功耗、低質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，為深空高速通信提供了可能性[2]。2013年，美國(guó)宇航局NASA成功完成了月地激光通信演示驗(yàn)證試驗(yàn)，在40萬(wàn)km的鏈路距離上，實(shí)現(xiàn)了最高622Mbps的下行傳輸速率，進(jìn)一步證明了激光通信技術(shù)應(yīng)用在深空數(shù)傳系統(tǒng)中的可行性[3]。此外，美國(guó)宇航局NASA和歐洲南方天文臺(tái)（ESA）還公布了未來(lái)深空通信網(wǎng)的建設(shè)藍(lán)圖，均計(jì)劃在火星探測(cè)器、木星探測(cè)器上應(yīng)用光通信技術(shù)，可見深空激光通信系統(tǒng)具有巨大應(yīng)用潛力[4]。

需要注意的是，從星載終端發(fā)射的光信號(hào)會(huì)經(jīng)過(guò)巨大的鏈路損耗和大氣衰減，到達(dá)地面接收端的微弱信號(hào)往往僅剩幾個(gè)光子，這為高靈敏度探測(cè)系統(tǒng)提出新的挑戰(zhàn)。隨著單光子探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，一系列單光子探測(cè)器應(yīng)運(yùn)而生。其中超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器（Superconducting Nanowire Single Photon Detector，SNSPD）以其優(yōu)越的性能脫穎而出，成為深空激光通信系統(tǒng)地面高靈敏度探測(cè)技術(shù)核心設(shè)備之一。SNSPD系統(tǒng)依靠超導(dǎo)臨界溫度下納米線的熱點(diǎn)（hotspot）效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)光子的高靈敏度檢測(cè)。它可在近紅外波段實(shí)現(xiàn)較高的量子效率（～90%），同時(shí)它還具有皮秒量級(jí)的時(shí)間抖動(dòng)、納秒量級(jí)甚至更短的死時(shí)間、數(shù)百赫茲的暗記數(shù)率等優(yōu)點(diǎn)[5]。

在通信系統(tǒng)中，除了對(duì)通信速率有很高要求外，誤碼率也是衡量通信性能的重要指標(biāo)。其中，探測(cè)器性能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)誤碼率的影響不容忽視。本文分析了超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器暗記數(shù)的來(lái)源，探討了暗記數(shù)的抑制方法，最后對(duì)現(xiàn)有SNSPD探測(cè)系統(tǒng)的暗記數(shù)進(jìn)行了測(cè)量。

1 SNSPD暗記數(shù)來(lái)源分析與抑制

1.1 背景暗記數(shù)及抑制

系統(tǒng)背景熱輻射，光纖引入的雜散光會(huì)導(dǎo)致暗記數(shù)的出現(xiàn)[6]。任何物體都會(huì)存在黑體輻射現(xiàn)象。SNSPD通過(guò)光纖將空間光耦合到納米線上，此時(shí)不可避免地引入了黑體輻射和雜散光。通過(guò)穩(wěn)定的低溫制冷，黑體輻射產(chǎn)生的光子可以得到有效抑制，如Shibata利用低溫下的光纖濾光器大幅降低了系統(tǒng)的暗記數(shù)，但其帶來(lái)的衰減卻降低了系統(tǒng)的探測(cè)效率[7]。針對(duì)此為問題，Xiaoyan Yang等人利用集成到納米線上的多層片上濾光片很好地降低了黑體輻射和雜散光，同時(shí)還保證了感興趣波段的高探測(cè)效率，圖1為實(shí)驗(yàn)結(jié)果[8]。

圖1（a）中三角號(hào)表示背景暗記數(shù)，星號(hào)表示本征暗記數(shù)，黑色數(shù)據(jù)為采用片上濾光結(jié)構(gòu)的SNSPD測(cè)試結(jié)果，深灰色數(shù)據(jù)代表普通結(jié)構(gòu)SNSPD的測(cè)試結(jié)果?？梢姡S著偏置電流的增加，系統(tǒng)探測(cè)效率（System Detection Efficiency， SDE）的增長(zhǎng)幅度不斷加大，同時(shí)兩種暗記數(shù)率（Dark Count Rate， DCR）也隨之增加；采用濾光片后，背景暗記數(shù)增加幅度減小且趨于穩(wěn)定。圖1（b）中，當(dāng)探測(cè)效率為55%時(shí)，采用片上濾光片的SNSPD暗記數(shù)僅有0.4Hz，而普通結(jié)構(gòu)SNSPD的暗記數(shù)卻達(dá)到了1000Hz?？梢娖蠟V光結(jié)構(gòu)對(duì)暗記數(shù)的抑制效果十分明顯。

1.2 本征暗記數(shù)及抑制

對(duì)于SNSPD本征暗記數(shù)的成因?qū)W術(shù)界還沒有明確定論，但此方面的研究工作一直在進(jìn)行中。目前，對(duì)于本征暗記數(shù)的解釋主要有兩點(diǎn)：（1）邊界單磁通穿越；（2）磁通-反磁通對(duì)拆散[9]。我們以前者為例做主要闡述。

當(dāng)納米線處于超導(dǎo)狀態(tài)下時(shí)，納米線邊界附近會(huì)自發(fā)產(chǎn)生自由磁通（vortex）。如圖2所示，在外部加載偏置電流后，自由磁通在洛倫茲力作用下有一定概率突破勢(shì)壘，進(jìn)而從產(chǎn)生的邊界穿越到另一面邊界，這個(gè)過(guò)程中伴隨著準(zhǔn)粒子的產(chǎn)生與積累，當(dāng)被激發(fā)出的準(zhǔn)粒子云集聚半徑超過(guò)一定值后，超導(dǎo)狀態(tài)被破壞，從而形成正常阻區(qū)并阻斷電流傳導(dǎo)，進(jìn)而在外部電路上形成電壓脈沖，導(dǎo)致暗記數(shù)。L.N. Bulaevskii等人對(duì)單磁通穿越的物理機(jī)制進(jìn)行了探討分析，得到了暗計(jì)數(shù)率R的數(shù)學(xué)模型如下[10]。

（1）

式中，T為納米線工作溫度，R為納米線阻值，Φ0為磁通量子，ν為與偏置電流Ibias、溫度T和磁通能量有關(guān)的參數(shù)、ξ為相干長(zhǎng)度，ω和L分別為納米線的寬度和長(zhǎng)度?？梢?，SNSPD的暗記數(shù)率不僅與納米線本身的尺寸和材料有關(guān)，還與偏置電流和工作溫度有關(guān)。文章用模型對(duì)3種不同尺寸的納米線暗記數(shù)率的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了擬合，如圖3所示。其中，1號(hào)樣品尺寸最小，3號(hào)最大。可見，不同尺寸的納米線暗計(jì)數(shù)率差別明顯。且隨著偏置電流的增加，暗記數(shù)急劇上升。

磁通-反磁通對(duì)拆散引起暗記數(shù)的過(guò)程與上述過(guò)程類似。磁通-反磁通的磁場(chǎng)方向相反，當(dāng)納米線處于偏置狀態(tài)時(shí)，部分磁通-反磁通對(duì)受洛倫茲力的作用會(huì)被拆散，形成兩個(gè)單磁通，接著自由磁通各自向納米線邊界移動(dòng)，破壞超導(dǎo)狀態(tài)，形成暗記數(shù)。

雖然暗記數(shù)形成原因還未得到完美的解釋，但是可以通過(guò)一些方法來(lái)抑制暗記數(shù)的產(chǎn)生。對(duì)納米線的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如選取合適的寬度、長(zhǎng)度、厚度組合，研發(fā)性能更好的超導(dǎo)材料，或者增大SNSPD急彎曲率半徑。在使用時(shí)通常采用更好的制冷設(shè)備，如采用商用G-M制冷機(jī)使納米線工作在溫度盡量低且穩(wěn)定的狀態(tài)。此外，降低偏置電流也能起到減少暗記數(shù)的效果，但是這會(huì)導(dǎo)致SNSPD探測(cè)效率的降低，因此在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)應(yīng)用要求進(jìn)行充分的衡量和舍取。

2 SNSPD系統(tǒng)暗記數(shù)實(shí)測(cè)

如圖4所示，整個(gè)SNSPD系統(tǒng)分為SNSPD探測(cè)單元、電流偏置系統(tǒng)、壓縮機(jī)與真空泵、制冷機(jī)4個(gè)部分。其中SNSPD探測(cè)器安裝在內(nèi)部鍍金的密封罐內(nèi)，電流偏置系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)偏置電流，壓縮機(jī)與真空泵負(fù)責(zé)將密封罐內(nèi)部空氣抽出，使探測(cè)器處于真空環(huán)境，制冷機(jī)通過(guò)氦氣循環(huán)制冷保證探測(cè)器2.9K的工作溫度。

我們采用統(tǒng)計(jì)平均的方式測(cè)量系統(tǒng)暗記數(shù)與探測(cè)效率。通過(guò)圖4中的信號(hào)發(fā)生器調(diào)制單光子源脈沖激光器，使其輸出重頻1MHz，功率1MW的光信號(hào)。然后光信號(hào)經(jīng)單模光纖傳輸與多次衰減器衰減，使最終耦合到探測(cè)器內(nèi)的光子數(shù)為1000000個(gè)，通過(guò)光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)的檢測(cè)得到有效探測(cè)次數(shù)。

首先，讓光信號(hào)輸入探測(cè)器內(nèi)，調(diào)節(jié)偏置電流大小，測(cè)出系統(tǒng)探測(cè)效率與偏置電流的關(guān)系，如圖5所示?？梢姡S著偏置電流的增加，探測(cè)效率逐漸增大直至趨于平緩。其中，偏置電流為17.5μA時(shí)，探測(cè)效率僅有32.5%左右；增大電流，探測(cè)效率隨之線性增加，當(dāng)偏置電流分別為20μA、20.5μA、21μA時(shí)，探測(cè)效率達(dá)到基本維持在54%；繼續(xù)調(diào)節(jié)使偏置電流接近臨界電流21.7μA，系統(tǒng)探測(cè)效率達(dá)到最大的55%。圖6是切斷光信號(hào)輸入時(shí)得到的暗記數(shù)率與偏置電流關(guān)系曲線?？芍秒娏髟?7.5～19.5μA范圍內(nèi)時(shí)，暗記數(shù)增加幅度不大，而當(dāng)偏置電流超過(guò)20μA后，暗記數(shù)大幅增多，最大可到達(dá)243Hz。綜上，在實(shí)際的光通信實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為了保證高探測(cè)效率和低暗記數(shù)，可將偏置電流設(shè)為20μA，以達(dá)到最好的探測(cè)效果。

3 結(jié)語(yǔ)

本文較為詳細(xì)地論述了超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器暗記數(shù)的來(lái)源與抑制方法。通過(guò)低溫制冷與片上濾光技術(shù)可使背景暗記數(shù)率降低到0.4Hz，同時(shí)可保證較高的系統(tǒng)探測(cè)效率；而本證暗記數(shù)則可通過(guò)納米線結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、新型材料選取和選取合適工作溫度與偏置電流的方式得到抑制。最后，對(duì)現(xiàn)有的SNSPD系統(tǒng)的SDE與DCR進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)量結(jié)果表明，SDE與DCR均隨著偏置電流的增大而增大，不同的是SDE最終趨于平緩，而DCR有繼續(xù)大幅增加的趨勢(shì)。為了保證深空光通信對(duì)微弱信號(hào)的高效探測(cè)和低誤碼率，可將系統(tǒng)偏置電流設(shè)置為20.5μA。

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