摘要
超导纳米线单光子探测器(SNSPD)是一种新型的超导单光子探测器件。SNSPD在近红外波段具有探测效率高、计数率高、暗计数低、时间抖动小等特点，与传统半导体单光子探测技术或其他超导单光子探测技术相比具有明显的优势。自2001年Gol'tsman等人发明SNSPD以来，SNSPD成为了超导电子学及单光子探测领域的热点课题，受到了广泛的关注并已被应用到了众多领域。 对于SNSPD系统来说，其性能总会受到系统各种因素的影响导致系统性能低于器件本征性能。本文从器件、光耦合模块和系统集成多个角度出发，探讨分析如何提升系统探测效率、降低暗计数，从而提升系统的综合性能。 探测效率是SNSPD的最主要性能指标，而光耦合效率是影响SNSPD探测效率的最重要原因之一。本文首先讨论了对SNSPD器件进行光耦合而搭建的光耦合系统以及与之配套的封装盒。研究了单模光纤在光耦合中的性能及透镜光纤的聚焦性能，并利用透镜光纤进行背面光耦合将光耦合效率提高了3倍。最后讨论了低温环境对光耦合效率的影响，发现低温环境使得光纤端面与器件衬底之间的距离减小，并会使对准有一定程度的偏移，但计算数据表明对光耦合效率几乎无影响。 暗计数代表了SNSPD的噪声水平，在量子密钥分发中的误码率与SNSPD的暗计数成正比。本文研究了SNSPD噪声的起源，确定了背景暗计数是由处于一定温度下的光纤引入的黑体辐射引起的。研究了光纤的温度、长度、曲率等对背景暗计数的影响，发现光纤绕圈为Φloops=30 mm时能够在保持SNSPD探测效率不变的情况下，将背景暗计数降低一个数量级到几十Hz。除此之外我们使用芯片上光学薄膜带通滤波器抑制黑体辐射的方法来降低背景暗计数。发现由于Si折射率随温度的变化导致光学薄膜滤波器的通带和中心波长随温度的降低而蓝移，将中心波长从1545 nm蓝移到1532 nm。SNSPD的探测效率随波长的变化反映了滤波器的较好的滤波性能，且对中心波长探测效率无抑制，在中心波长1532 nm，集成滤波器SNSPD的DE@DCR100=64.2％。滤波器有效地过滤了黑体辐射，将最大背景暗计数，即背景暗计数和本征暗计数的拐点由20 Hz降低了两个数量级到0.4 Hz，得到了目前所报导的最低NEP为2.0×10-19 W/Hz1/2。 我们还利用Swagelok接头改进了光学系统进出制冷机真空接口结构，使用优良清洁光纤接头，保证了光通路损耗在0.2 dB以下，并且在低温卜也保持了光纤和接头的低损耗。利用优化的SNSPD系统，能够将四通道的探测效率提升到在100 Hz暗计数下大于等于65％。 论文的最后对下一步的研究工作进行了讨论和展望。
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