• 儀器響應功能低至 17.8 ps
• 極低的定時抖動（<8 ps RMS）
• 從可見光到中紅外（0.5 - 2.5 μm）的光譜靈敏度
• 極低的暗計數率（典型值 <10 cps）
• 量子效率 > 85
• 無后脈沖

說明

超導氮化鈮探測器具有高達紅外波長的靈敏度和低皮秒范圍的時間分辨率。這種探測器基于納米結構的超薄氮化鈮層（"納米線"）。該結構被冷卻到幾開爾文的溫度，從而使氮化鈮薄膜具有超導性。直流電流通過該裝置。當氮化鈮結構吸收光子時，會暫時失去超導。隨后，該結構上的電壓會增加，持續時間約為納秒。放大的電壓脈沖形成探測器的輸出信號。

TCSPC 時間分辨率世界紀錄：bh SPC-150NX 與 SCONTEL NbN 探測器的組合實現了 17.8 ps 的半峰全寬(FWHM)。

沃爾夫岡·貝克爾、弗拉迪斯拉夫·什切斯拉夫斯基、帕維爾·莫羅佐夫

摘要： 我們提出了一種超快時間相關單光子計數（TCSPC）裝置，該裝置由 bh SPC-150NX TCSPC 模塊和 SCONTEL 超導 NbN 探測器組成。該組合實現了半峰全寬為 17.8 ps 的儀器響應函數（IRF）。總單光子計時抖動的均方根值約為 7.9 ps。

探測器

超導單光子探測器 (SSPD) 由超薄納米帶狀超導薄膜構成。該納米帶通常呈蜿蜒狀 [3, 10, 11]。作為光學探測器時，超導納米帶需施加接近臨界值的直流偏置電流。光子的吸收會導致準粒子濃度非平衡區域的形成。此時電流密度超過臨界值，納米帶兩端形成電阻區。由此產生的電壓脈沖表明探測到了光子。該機制在文獻 [11] 中有詳細描述。超導 NbN 探測器具有極低的定時抖動，光譜靈敏度范圍覆蓋可見光到中紅外波段。SSPD 的暗計數率極低，通常低于每秒 1 次計數，且無后脈沖現象。探測器的有效面積約為 10 μm ² 。

SCONTEL SSPD 探測系統[7]有液氦冷卻版本和閉式循環制冷版本兩種，如圖 1 左圖所示。兩種略有不同的探測器類型的光譜靈敏度如圖 1 右圖所示。

圖 1：左圖：SCONTEL 超導 NbN 探測器、放大器和控制器單元以及閉式循環冷卻器。右圖：光譜靈敏度曲線。引自 [7]。

實驗裝置

實驗中，我們使用了 SCONTEL TCORPS-UF-10 超導 NbN 探測器，包括液氦冷卻版本和閉循環制冷版本[7]。測試光源為 AVESTA Project EFO-80 激光器。該激光器發射波長為 1560 nm、重復頻率為 50 MHz 的脈沖。它有兩個輸出，一個脈沖寬度為 1 ps，另一個脈沖寬度為 300 fs。1 ps 輸出通過高速光電二極管產生 TCSPC 器件的同步信號。300 fs 輸出經 F2A FHA2 系列光纖衰減器衰減后耦合到探測器。整個系統通過單模光纖連接。

來自探測器的單光子響應脈沖經標準低噪聲 GHz 帶寬射頻放大器放大。總增益為 40 dB（1:100），脈沖幅度約為 200 mV。放大后的脈沖連接至 bh SPC-150NX TCSPC 模塊的計數輸入端。與常用的 SPC-150 相比，SPC-150NX 的鑒別器帶寬高 4 倍，TAC 范圍快 2 倍[1]。最小時間通道寬度為 405 fs，電 IRF 寬度為 3.6 ps（半高全寬）。實驗中使用的計數率介于 100 kHz 至 2 MHz 之間。

結果

圖 2 顯示了包括激光器、光纖系統、探測器、參考光電二極管和 TCSPC 器件在內的整個系統的儀器響應函數。IRF 的半峰全寬 (FWHM) 為 17.8 ps。

圖 2：探測器-TCSPC 組合的儀器響應函數。左圖：線性刻度。右圖：對數刻度。兩者均使用 bh SPC-150NX TCSPC 模塊記錄，每通道時間為 405 飛秒。spc -150n-06，第 4 頁，35.8 ps / 2 或 spc-150n-05，第 3 和 4 頁，35.6 和 35.8 ps，穩定性極佳 。

對數顯示表明，IRF 具有約占峰值振幅 2%、持續時間約 150 ps 的低振幅尾部。我們尚不清楚這是探測器的特性、激光脈沖形狀的慢尾效應，還是光纖系統的色散效應。對計數超過峰值 1% 的通道進行有效渡越時間抖動均方根計算，結果約為 7.9 ps。

探測器-TCSPC 組合的時間穩定性極佳。圖 3 左圖顯示了間隔 5 分鐘的兩次記錄。兩條曲線（藍色和紅色）幾乎無法區分。作為對比，圖 3 右圖顯示了光纖長度相差 30 毫米的兩次記錄。

圖 3：左圖：兩次獨立的記錄，分別用藍色和紅色表示，兩次測量間隔 5 分鐘。時間漂移小于 3C1 ps。右圖：兩次記錄，光程差為 3 cm。

討論

此前已有研究對采用鈮氮化物（NbN）探測器的時間相關單光子計數（TCSPC）的時間分辨率進行了評估并發表了結果。Hadfield（2008）指出，其儀器響應函數（IRF）寬度為 68 ps（半高全寬，FWHM）[2]。Rosenberg 等人（2013）報道的時間分辨率為 60 至 80 ps，但遺憾的是，他們并未描述光學系統和 TCSPC 裝置[5]。Pernice 等人（2012）使用均方根（RMS）時間為 19 ps 的 TCSPC 器件，實現了 50 ps 的 IRF 寬度[4]。Liu 等人（2014）在探測器前使用多模光纖時，獲得了 75.7 ps 的 IRF 寬度[3]。使用單模光纖時，他們獲得了 52.2 ps 的 IRF 寬度。

Single Quantum（荷蘭）公司的一款 Nb??N 探測器，雖然標稱延遲時間為 75 ps，但在使用 bh SPC-150 模塊時，實際延遲時間（FWHM）為 48 ps。然而，測試激光器（一臺帶有聲光可調諧濾波器的超連續譜激光器）的脈沖寬度并不精確。根據 40 ps 激光脈沖寬度的結果進行外推，估計探測器本身的延遲時間約為 25 ps [1]。Toussaint 等人（2012）報道了德國卡爾斯魯厄理工學院制造的探測器的延遲時間（FWHM）為 35 ps [9]。該測試結果后來改進為 22.2 ps [1, 10]。基于這些數據，作者估計探測器本身的延遲時間抖動為 19.8 ps（FWHM）。

利用超高速采樣示波器也對 SSPD 探測器的定時抖動進行了測量。Verevkin 等人（2004）使用采樣率為 50 GHz 的示波器，獲得了 18 ps 的半峰全寬（FWHM）[11]。在類似的測量設置中，Pernice 等人（2012）獲得了 18 ps 的 FWHM，Schuck 等人（2013）獲得了 18.4 ps，Tarkhov 等人（2008）獲得了 16 ps [4, 6, 8]。然而，需要注意的是，這些值僅針對探測器本身，而非探測器與時間相關單光子計數（TCSPC）的組合。此外，兩者還存在另一個顯著區別：示波器通過記錄連續脈沖來計算質心值，并構建這些值的直方圖。而 TCSPC 器件則直接在探測器脈沖的邊緣觸發。高頻噪聲對這兩種情況的影響不同：質心法可以部分消除噪聲，而邊緣觸發法則不能。據我們所知，我們獲得的 17.8 ps FWHM 是迄今為止所有探測器-TCSPC 組合中報道的最快的 IRF。

問題在于我們獲得的 17.8 ps 的時間精度是否還能進一步提高。理論分析表明，準粒子雪崩累積過程中的時間抖動可能遠低于 10 ps FWHM。TCSPC 模塊的電響應（對于無噪聲輸入脈沖）小于 4 ps FWHM。因此，我們認為時間不確定性的主要來源是電子噪聲。使用噪聲系數更低的放大器并不能顯著改善這種情況。優質放大器的噪聲系數小于 2dB。這意味著輸入參考噪聲僅比 50 歐姆輸入匹配電阻的熱噪聲高 25%。換句話說，大部分噪聲來自該電阻。降低噪聲的唯一方法是冷卻。電阻噪聲與溫度的平方根成正比。因此，使用液氮（70K）冷卻可以將噪聲降低一半。通常情況下，整個放大器都需要冷卻，因為匹配電阻是放大器芯片的一部分。這意味著只能使用基于 MESFET 的放大器——雙極型晶體管在 70K 溫度下無法工作。

提高分辨率的另一種方法是增加探測器自身單光子脈沖的振幅。然而，簡單地增加探測器偏置電流并不能解決問題。超過一定值后，暗計數率會急劇增加[11, 7]，并且在更高的電流下，超導性會完全消失。雖然可以通過改進探測器設計來提高振幅，但這尚未得到實際驗證。