Быстродействующий однофотонный детектор на основе тонкой сверхпроводниковой пленки NbN тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

Минаева Ольга Вячеславовна

Быстродействующий однофотонный детектор на основе тонкой сверхпроводниковой пленки NbN

Специальность: 01.04.03 — радиофизика

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2009

003467536

Работа выполнена в Московском педагогическом государственном университете на кафедре общей и экспериментальной физики факультета физики и информационных технологий

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор

Гольцман Григорий Наумович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор

Кошелец Валерий Павлович

доктор физико-математических наук Девятов Игорь Альфатовнч

Ведущая организация:

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Защита диссертации состоится « 18 » мая 2009 г. в 15 часов на заседании Диссертационного совета Д 212.154.22 при Московском педагогическом государственном университете по адресу: 119435, Москва, ул. Малая Пироговская, д.29, ауд.30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского педагогического государственного университета по адресу: 119992, Москва, ул. Малая Пироговская, д.1.

Автореферат разослан апреля 2009 года.

Ученый секретарь Диссертационного совета

^Шг/.-. Ильин В.А.

Общая характеристика работы

Диссертация посвящена экспериментальному исследованию эффекта однофотонного детектирования оптического и ИК излучений в тонких сверхпроводящих NbN пленках, экспериментальному исследованию характеристик однофотонных сверхнроводпиковых детекторов. созданных набат зе тонких пленок NbN, увеличению быстродействия детектора и исследованию возможностей практического применения однофотонных сверхпроводниковых детекторов. Это включает в себя исследование влияния физических условий наблюдения - рабочей температуры и тока смещения на квантовую эффективность па различных длинах воли (0.5С - 1.55 мкм), вероятность ложных срабатываний (темповой счет), величину эквивалентной мощности шума, измерение нестабильности переднего фронта импульса - джиттера детектора, оптимизацию конфигурации сверхпроводниковой наноструктуры с целью i/овышения быстродействия детектора, а также разработку установок для измерения разрешающей способности методов оптической и квантовой оптической когерентной томографии с использованием однофотонных сверхнроводниковых детекторов излучения.

Актуальность исследований

D последние годы резко увеличилась потребность в улучшении характеристик однофотонных детекторов излучения видимого и ИК диапазонов, что связано с возникновением и разви тием различных научных и технических применений, таких как исследование квантовых точек, разработка квантового компьютера и квантовая криптография. Данные и многие другие применения требуют использования детекторов., обладающих пикосе-кундным временным разрешением (джиттером). высокой скоростью счета фотонов, низким уровнем ложных срабатываний и высокой квантовой эффективностью.

Одним из применений, требующих использования детекторов, обладающих однофотопной чувствительностью, является технология перазру-шающего анализа неисправностей интегральных микросхем. При работе микропроцессоров и других интегральных микросхем, в момент переключения отдельной МОП структуры, из каждого канала нары транзисторов происходит излучение инфракрасных световых квантов, позволяющее регистрировать последовательность работы элементов схемы и проводить, таким образом, ее диагностику [1, 2]. Используя в тестерах микросхем уже известные однофотоиные детекторы, приходится значительно увеличивать время наблюдения, что в сочетании со все возрастающим числом элементов интегральных схем сильно увеличивает общее время тестирования и не позволяет проводить этим методом контроль качества микропроцессоров в процессе производства.

Использование сверхчувствительных однофотонных детекторов в оптических телекоммуникационных системах дает, в принципе, возможность регистрации сигнала без использования дорогостоящих оптических усилителей, что особо важно для протяженных трансконтинентальных волоконно-оптических линий связи. Кроме того, это открывает уникальные возможности для защиты передаваемой информации путем создания квантово-криптографических систем.

Детекторы, обладающие высокой чувствительностью в ИК диапазоне, низким уровнем темпового счета и малым джиттером, позволят улучшить временное разрешение при измерениях времени когерентности спонтанного излучения и корреляционной функции источников, что приведет к прогрессу исследований однофотонных источников излучения, спонтанного параметрического рассеяния и его применений.

Кремниевые лавинные фотодиоды (Si ЛФД) - наиболее популярные и коммерчески доступные однофотонные детекторы. Они обладают высокой квантовой эффективностью в видимом диапазоне до 70% на длине волны 630 нм. Специальные системы с термоэлектрическим охлаждением позволяют уменьшить уровень темнового счета Si ЛФД до единиц Гц, однако при этом квантовая эффективность детектора снижается в несколько раз 2. В отличие от фотоэлектронных умножителей современные Si ЛФД работают при низкой мощности питания и защищены от чрезмерного излучения. Si ЛФД наиболее популярные детекторы для однофотонного счета в видимом диапазоне длин волн, однако их чувствительность резко падает на длинах волн более 1.1 мкм. Максимальная скорость счета фотонов составляет до 10 МГц.

В ближнем ИК диапазоне наиболее широко используемыми стали InGaAs ЛФД. Однако эти фотодетекторы обладают очень высоким уровнем темнового счета, составляющим несколько кГц, и высокой вероятностью повторных срабатываний (afterpulsing). Также существенным ограничением использования этих детекторов является их низкая скорость счета, которая не превышает 1-2 МГц 3.

Наиболее обещающими конкурентами полупроводниковым фотодетекторам стали сверхпроводниковые устройства. Наибольшей чувствительностью в видимом и ближнем ИК диапазонах длин волн обладают сверхпроводниковые наноболометры (transition edge sensors - TESs). Квантовая эффективность данных детекторов достигает 40 - 50 % [3). К сожалению TESs работают на скоростях счета не превышающих всего 20 кГц, они требуют охлаждения до 100 мК и сложную схему стабилизации температуры,

1littp://optoclcctronics.pcrkindmcr.com/catalog/Product.aspx?ProductID=SPCM-AQR-16-FC

2http://www.idquantique.com/products/idl00-20.htm

3http://'www.idquantiquc.com/products/id200.htm

что существенно осложняет их практическое использование.

В 2001 г. был открыт другой тип сверхпроводниковых детекторов -однофотонный сверхпроводниковый детектор (ББРО) [4]. Данные сверхпроводниковые наноструктуры формируются из тонкой пленки нитрида ниобия в виде длинной полоски в форме меандра. Они обладают одно-фотонной чувствительностью от УВ до ИК и низким уровнем темнового счета. При температуре 4.2 К детекторы на основе тонкой пленки МЬИ обладают квантовой эффективностью ~ 10% на телекоммуникационных длинах волн 1.3 мкм и 1.55 мкм [5]. БЭРБв имеют длительность импульса порядка 10 не, что ограничивает их максимальную скорость счета фотонов. Таким образом, становится ясно, что данный тип детекторов является очень перспективным направлением развития счетчиков фотонов, однако требует дальнейшего исследования с целью улучшения таких параметров, как чувствительность в инфракрасном диапазоне, максимальная скорость счета и джиттер детектора.

Проанализировав параметры детекторов, необходимых для различных применений и характеристики существующих однофотонных детекторов, приходим к выводу, что разработка и оптимизация характеристик быстродействующего одпофотонного сверхпроводникового детектора, работающего в широком спектральном диапазоне и обладающего низким уровнем темпового счета, является, несомненно, актуальной задачей.

Целью диссертационной работы являлось исследование характеристик однофотонных сверхпроводниковых детекторов, созданных на базе тонких пленок МЫМ, увеличение быстродействия детектора и исследование возможностей практического применения однофотонных сверхпроводниковых детекторов вместо традиционно используемых полупроводниковых однофотонных детекторов. Это включало в себя исследование влияния физических условий наблюдения - рабочей температуры и тока смещения на квантовую эффективность на различных длинах волн и вероятность ложных срабатываний (в отсутствие падающего излучения), измерение величины эквивалентной мощности шума и нестабильности переднего фронта импульса - джиттера детектора, оптимизацию конфигурации сверхпроводниковой полоски, являющейся чувствительным элементом детектора, с целью повышения его быстродействия, а также разработку установок для измерения разрешающей способности методов оптической и квантовой оптической когерентной томографии с использованием однофотонных детекторов излучения.

В качестве объекта исследования выбраны сверхпроводниковые полоски нитрида ниобия шириной порядка 100 нм и длиной от 100 до 500 мкм, изготовленные методом электроннолучевой литографии из пленок 1ЧЬК толщиной 3.5 нм. Пленки были нанесены на полированную сапфиро-

вую подложку методом магнетронного распыления МЬ с газовой смеси N2 и Аг. Для удобства практического применения детектора, сверхпроводниковая полоска изготавливалась в виде меандра, покрывающего площадку 10x10 мкм2, что существенно упрощает совмещение детектора со стандартным телекоммуникационным оптическим одномодовым волокном.

Были поставлены следующие задачи:

• Исследовать зависимость квантовой эффективности для длин волн в диапазоне 0.56 — 1.55 мкм от транспортного тока в интервале рабочих температур 2.0 - 4.2 К.

• Исследовать зависимость скорости темпового счета образцов от транспортного тока и рабочей температуры детектора.

• На основании полученных значений квантовой эффективности и скорости темнового счета вычислить эквивалентную мощность шума N ЕР при разных значениях транспортного тока.

• Измерить джиттер однофотонного сверхпроводникового детектора методом совпадений (старт-стоп схема)

• Разработать конфигурацию наноструктур, позволяющую уменьшить длительность отклика детектора и улучшить его быстродействие

• Сравнить разрешающие способности методов оптической когерентной томографии и квантовой оптической когерентной томографии в ближнем ИК диапазоне, полученные с использованием лавинных фотодиодов и однофотонных сверхпроводниковых детекторов.

Особенностью методик исследования однофотонных процессов является статистический характер измеряемых величин. Излучение источников, подаваемое на образец, ослаблялось настолько, что время отклика образца на поглощение фотона было много меньше среднего времени между попаданиями фотонов на образец. Это обеспечивало однофотонность отклика как в случае работы с непрерывными источниками излучения, так и с импульсными источниками. Статистический характер имеют квантовая эффективность и другие измеряемые величины, такие как длительность отклика и джиттер детектора.

В процессе работы были получены следующие новые научные результаты:

• Исследована зависимость квантовой эффективности от тока смещения однофотонного сверхпроводникового детектора на основе тонкой

пленки 1ЧЬМ при разных рабочих температурах. Понижение температуры от 4.2 К до 2.0 К приводит к увеличению квантовой эффективности на телекоммуникационных длинах волн 1.3 мкм и 1.55 мкм приблизительно в 5 раз.

• Квантовая эффективность однофотонного сверхпроводникового детектора на телекоммуникационных длинах волн 1.3 мкм и 1.55 мкм при рабочей температуре 2.0 К достигает максимальной величины и 30 %, которая соответствует коэффициенту поглощения сверхпроводниковой NbN наноструктуры, т.е. детектор в данном режиме срабатывает на каждый поглощенный фотон.

• Исследована зависимость скорости темнового счета от транспортного тока для узких полосок из пленки NbN толщиной 3.5 нм, при температурах 2.0 - 4.2 К. Скорость темнового счета экспоненциально зависит от приведенного транспортного тока. Понижение рабочей температуры детектора приводит к увеличению показателя экспоненты.

• Из экспериментальных данных по квантовой эффективности и скорости темнового счета вычислена эквивалентная мощность шума одно-фотонного сверхпроводникового детектора на основе узкой полоски из ЫЬИ в диапазоне длин волн 0.56 1.55 мкм при температуре 2 К.

• Методом совпадений измерен джиттер NbN однофотонного сверхпроводникового детектора площадью 10 х 10 мкм2 и толщиной пленки 3.5 нм. Он составляет менее 50 пс.

• С помощью численного моделирования и экспериментальной проверки получено, что деление меандра ББРИ на несколько более коротких секций, соединенных параллельно, позволяет уменьшить длительность отклика детектора, сохранив прежнюю рабочую площадь детектора.

• Однофотонный NbN детектор способен зарегистрировать излучение в более широком спектральном диапазоне по сравнению с лавинными фотодиодами, что приводит к увеличению разрешающей способности методов интерференции сигналов низкой когерентности.

Практическая значимость работы. Практическим результатом работы явилось создание быстродействующего детектора одиночных фотонов на основе эффекта однофотонного детектирования оптического и ИК излучений тонкопленочными сверхпроводящими наноструктурами. Детектор обладает рекордными характеристиками по быстродействию и чувствительности в широком спектральном диапазоне от УФ до ИК. Были созданы

установки для измерения разрешающей способности методов оптической и квантовой оптической когерентной томографии на основе спонтанного параметрического рассеяния света в качестве широкополосного источника излучения и с использованием данных сверхпроводниковых наноструктур в качестве детекторов излучения. Показана перспективность применения однофотонных сверхпроводниковых детекторов в корреляционной инфракрасной микроскопии живых биологических образцов с высоким временным разрешением.

В 2005 году на базе УНРЦ МПГУ было создано Закрытое акционерное общество «Сверхпроводниковые нанотехнологии»4 («8соп1е1») как малое предприятие, ориентированное на реализацию научных разработок коллектива в области научного приборостроения. «8со^е1» успешно занимается коммерциализацией однофотонных сверхпроводниковых детекторов, являющихся объектом исследования данной диссертационной работы. Одно- и двухканальные приемные системы5 с однофотонными сверхпроводниковыми детекторами видимого и ИК диапазона пользуются большим спросом по всему миру. Системы уже были поставлены в Италию, Францию, Австрию, Швейцарию, США, Китай, Японию и нашли широкое применение в различных областях, таких как квантовая криптография, исследование люминесценции квантовых точек, оптическая когерентная томография и ДР-

Во время проведения исследования были получены следующие патенты: патент на изобретение № 2300825 "Быстродействующий сверхпроводниковый однофотонный детектор"; патент на изобретение № 2327253 "Быстродействующий сверхпроводниковый однофотонный детектор с полосковыми резисторами".

Значительное увеличение быстродействия и квантовой эффективности позволит существенно сократить время тестирования при анализе работы больших интегральных схем [1, 2], увеличить длину и скорость передачи данных в оптических телекоммуникационных линиях связи, квантовой криптографии, квантовых компьютерах и т.д. Кроме того, улучшенные характеристики однофотонного детектора позволяют достичь значительного прогресса в исследованиях однофотошшх источников излучения, спонтанного параметрического рассеяния и его применений в различных корреляционных методах исследования.

На защиту выносятся следующие положения:

• Понижение рабочей температуры однофотонного сверхпроводникового детектора на основе тонкой пленки Г^ЬК толщиной 3.5 нм пло-

411Ир://мдте. scontel.ru

5 http://u-ww.scon tel.ru/Scontel__Eng/Production/tcoprs001tex.html

щадью 10x10 мкм2 с 4.2 до 2.0 К приводит к увеличению квантовой эффективности на длинах волн 1.3 мкм и 1.55 мкм в 4 - 6 раз.

• Квантовая эффективность однофотонного сверхпроводникового детектора на телекоммуникационных длинах волн 1.3 мкм и 1.55 мкм при рабочей температуре .2.0 К достигает максимальной величины » 30 %.

• Скорость темнового счета ЭБРО является экспоненциальной функцией приведенного транспортного тока, с показателем экспоненты, зависящим от температуры. Понижение рабочей температуры детектора с 4.2 до 2.0 приводит к увеличению показателя экспоненты в «2.3 раза. Минимальное экспериментально полученное значение скорости темнового счета БЭРБ при температуре 2.0 К составляет 3-10""* с-1 и ограничивается временем накопления данных.

• Из полученных зависимостей квантовой эффективности и скорости темнового счета при разных температурах следует, что соотношение сигнал/шум увеличивается при более глубоком охлаждении NbN детектора. Эквивалентная мощность шума однофотонного сверхпроводникового NbN детектора при рабочей температуре 2.0 К для телекоммуникационных длин волн 1.26 мкм и 1.55 мкм, вычисленная из измеренных значений квантовой эффективности и скорости темнового счета достигает 1.5 • Ю~20 Вт/Гц1''2 и 2 • Ю~20 Вт/Гц1/2, соответственно.

» Джиггер МЬК однофотонного сверхпроводникового детектора площадью 10 х 10 мкм2 и толщиной пленки 3.5 нм, полученный методом совпадений (старт-стоп схема), составляет менее 50 пс.

• Деление меандра ББРО на несколько более коротких секций, соединенных параллельно позволяет уменьшить длительность отклика детектора, сохранив прежнюю рабочую площадь детектора. Так, деление образца площадью 10 х 10 мкм2 на 2 секции приводит к уменьшению длительности времени спада с 8 не до 2.2 не, а деление на 5 секций дает время спада меньше 0.7 не.

• Разрешающая способность метода оптической когерентной томографии с центральной длиной волны излучения источника около 1100 нм с использованием ББРЮ достигает 2.9 мкм, что на 1.8 мкм меньше, чем с использованием кремниевого лавинного фотодиода. Данное значение ограничено не спектральным откликом ББРО, а спектром источника излучения.

• Использование однофотонных сверхпроводниковых детекторов в квантовой оптической когерентной томографии с центральной длиной волны излучения 800 нм приводит к увеличению разрешающей способности данного метода с 0.D9 до 0.82 мкм.

Апробация работы. Результаты представленных в диссертации исследований докладывались на следующих международных и российских конференциях:

- Frontiers in Optics, OSA Annual Meeting (2008)

- Quantum/Classical Control in Quantum Information (2008 )

The 6th International Conference on Photonics, Devices and Systems

(2008)

- Applied Superconductivity Conference (2006, 2008)

- Advanced Research Workshop Fundamentals of Electronic Nanosystems (2008)

- Conference on Lasers and Electro-Optics/Quantum Electronics and Laser Science Conference and Photonic Applications. Systems Technologies (2008)

- SPIE Defense and Security (2008)

- SPIE Photonics West (2005, 2008)

- Single-Photon Workshop (2007)

- SPIE Optics East (2007)

- European Conference on Applied Superconductivity (2005, 2007) 32nd International Conference on Infrared and Millimetre Waves and

15th International Conference on Terahertz Electronics (2007)

- SPIE International congress on Optics and Optoelectronics (2005, 2007)

- 0pera-2015: Symposium on Photonics Technologies for the 7th Framework Programme (2006)

- 16-th International Conference "Microwave & Telecommunication Technology (2006)

- International Conference on Nanoscience and Technology, ICN&T (2006)

- International Symposium on Space Terahertz Technology (2005, 2006)

- 2nd International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers (2005)

- Международная научно-техническая школа-конференция «Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике» (2005)

- Международная научная конференция студентов, аспирантов, молодых ученых "Ломоносов - 2005" (2005)

- 11-ая Всероссийская Научная Конференция Студентов-Физиков и Молодых Ученых (2005)

- Международная конференция "Пленки-2004" (2004)

Публикации. Результаты настоящего исследования опубликованы в 17 печатных работах и 2 патентах, список которых приведен в конце автореферата.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка публикаций автора и литературы. Объем работы 157 страниц, включая 51 рисунок и 2 таблицы.

Основное содержание работы

Во Введении обосновывается актуальность выбранной темы, формулируется цель исследования, раскрывается научная новизна и практическая значимость работы, приводится краткое содержание диссертации.

Глава 1. Обзор литературы. Механизм работы однофотонного сверхпроводникового детектора

В главе 1 сделан обзор литературы по существующим однофотонным детекторам видимого и ИК диапазона. Рассмотрены основные механизмы работы однофотонных детекторов. Обсуждаются теоретические модели, объясняющие возникновение резистивного состояния в сверхпроводящих пленках в условиях протекания электрического тока при поглощении фотона.

Глава 2. Методы отбора образцов и методики экспериментов по исследованию характеристик однофотонного сверхпроводникового детектора

Глава 2 посвящена описанию методики отбора образцов для исследований, экспериментальной установки для измерений квантовой эффективности и скорости темнового счета при рабочих температурах, лежащих в интервале от 2 до 4.2 К, а также методики измерения джиттера детектора по схеме совпадений.

В §2.1 описывается экспериментальная установка и методика отбора образцов, основанная на экспериментальном измерении квантовой эффективности однофотонных сверхпроводниковых детекторов при температуре 4.2 К.

В §2.2 оценивается влияние "повторных" импульсов на величину квантовой эффективности однофотонного сверхпроводникового детектора.

В §2.3 рассматривается техника и методика измерений зависимостей квантовой эффективности и скорости темнового счета БЭРБ как функций транспортного тока в интервале рабочих температур 2.0 - 4.2 К.

В §2.4 приведена методика измерения джиттера однофотонного сверхпроводникового детектора на основе тонкой МЬЫ плёнки по схеме совпаде-

а)

10= г 1 о' |

10'I

# 10' ш"

о ю'

10"'

Т = 2.0 К

о

8 .О

0

О о

56 мкм л=0 67 мкм

>.=0.94 мкм /.= 1.26 мкм _ >.=1.55 мкм : темновой счет

12 14 16

18 20 22 I МКА

24 26

Рис. 1. а) Экспериментальная зависимость квантовой эффективности, полученные с использованием светодаодов излучающих на длинах волн 0.56, 0.67, 0.94, 1.26 и 1.55 мкм от величины рабочего тока при рабочей температуре 2.0 К; б) Экспериментальная зависимость скорости темнового счета от нормированного транспортного тока при трех различных температурах: 4.2, 3.2 и 2.0 К.

ний (старт-стоп схема).

Глава 3. Квантовая эффективность, скорость темнового смета и эквивалентная мощность шума ББРО при рабочих температурах 2 - 4.2 К

В главе 3 приводятся результаты исследований зависимостей квантовой эффективности для длин волн в диапазоне 0.56 — 1.55 мкм, скорости темнового счета и эквивалентной мощности шума БЭРИ от величины транспортного тока. Произведено сравнение результатов, полученных при разных рабочих температурах.

В §3.1 приводятся результаты исследований квантовой эффективности для длин волн в диапазоне 0.56 - 1.55 мкм как функции транспортного тока в интервале рабочих температур 2.0 - 4.2 К.

На рис. 1 (а) представлены экспериментальные зависимости для квантовой эффективности на длинах волн 0.56, 0.67, 0.94, 1.26 и 1.55 мкм и скорости темнового счета от величины транспортного тока, при температуре 2.0 К. Из результатов измерений следует, что при рабочей температуре в 2.0 К зависимость квантовой эффективности однофотонного сверхпроводникового детектора в видимом и ближнем ИК диапазоне от транспортного тока выходит в насыщение с приближением к критическому току и достигает максимальной величины порядка 30%, которая ограничена коэффициентом поглощения сверхпроводящей наноструктуры, т.е. внутренняя квантовая эффективность близка к своему максимальному значению.

Исследование зависимости квантовой эффективности детектора от

температуры показало, что понижение температуры с 4.2 до 2.0 К приводит к увеличению квантовой эффективности на телекоммуникационной длине волны 1.3 мкм в среднем в 5.2 раза. Однако для образцов, показавших наилучшую квантовую эффективность при 4.2 К, которая уже при этой температуре была близка по величине в 30%, значительного роста квантовой эффективности с понижением температуры не наблюдается. Данные результаты вполне ожидаемы, т.к. квантовая эффективность для лучших детекторов вблизи критического тока ограничена уже исключительно коэффициентом поглощения света тонкопленочной сверхпроводниковой наноструктурой.

В §3.2 представлены исследования зависимости скорости темновых срабатываний ЗБРБ, изготовленных из пленки ¡^ЬК толщиной 3.5 нм от транспортного тока в интервале рабочих температур 2.0 - 4.2 К.

Установлено, что зависимость скорости темпового счета от тока смещения является экспоненциальной при всех рабочих температурах от 1.8 К до 4.2 К (рис. 1(6)). Экспоненциальная зависимость простирается на несколько порядков величины. Минимальное измеренное значение составило 3 • 10~4 с'1 и было ограничено временем накопления данных, которое составило 8 часов. На рис. 1(6) отображена экспериментальная зависимость скорости темнового счета от нормированного транспортного тока при трех различных температурах: 4.2, 3.2 и 2.0 К. Под нормированным транспортным током мы понимаем отношение величины транспортного тока Д к величине критического тока образца при данной температуре 1С. В полулогарифмическом масштабе мы получаем прямые, наклон которых увеличивается с понижением температуры. Понижение рабочей температуры с 4.2 до 2.0 К привело к увеличению показателя экспоненты в ~2.3 раза.

Объяснением данных экспериментальных результатов следует считать уменьшение термодинамических флуктуаций в тонкой сверхпроводящей пленке при более глубоком охлаждении детектора. Уменьшение флуктуаций уменьшает вероятность самопроизвольного возникновения резистив-ных состояний в однофотонном сверхпроводниковом детекторе, которые могут привести к возникновению импульсов с детектора в отсутствии внешнего излучения.

В §3.3 представлены результаты вычислений эквивалентной мощности шума ББРЭ, основанные на экспериментально измеренных значениях квантовой эффективности и скорости темнового счета детектора. Приведен анализ результатов вычислений эквивалентной мощности шума (№Р) на практически значимой длине волны излучения 1.3 мкм при различных температурах. Также приведены результаты вычислений эквивалентной мощности шума на длинах волн 0.56 - 1.55 мкм при рабочей температуре 2.0 К.

10"* 10 "

й. 10"'.

t-

С-" 10"

ы

z

10"' 10"

0.75 О.вО 0.65 0.90 0.95 1.00 1Д

Рис. 2. Эквивалентная мощность шума SSPD при Т=4.2К и Т=2.0К вычисленная из измеренных значений QE на длине волны 1.3 мкм и измеренной скорости темнового счета (закрытые символы) и экстраполированных значений скорости темнового счета (открытые символы)

Для сравнения чувствительности и шумов квантового детектора и интегрирующего детектора излучения вводится понятие эквивалентной мощности шума (noise equivalent power - NEP). По определению, эквивалентная мощность шума - это такая мощность сигнала, при которой отношение сигнал/шум на выходе детектора равно единице. Для квантового детектора эквивалентная мощность шума определяется как [6, 7]:

NEP = ^ч/2/й, (1)

где V - частота излучения, падающего на однофотонный детектор, h - постоянная Планка, Rdk ~ скорость темнового счета детектора.

Результаты вычислений NEP при температуре 2 К на длине волны 1.3 мкм, представлены на рис. 2. Из приведенных результатов очевидно, что понижение температуры от 4.2 К до 2 К, приводит к уменьшению эквивалентной мощности шума на несколько порядков величины. Минимальное значение NEP при температуре 4.2 К на длине волны 1.3 мкм, вычисленное из измеренных значений QE и R<ik составило 3 • 10"17 Вт/Гц1/2, а величина NEP при температуре 2.0 К, вычисленная из измеренных значений QE и R^ составила 1.5 • Ю-20 Вт/Гц1/,г.

Глава 4. Исследование временных параметров и способы увеличения быстродействия однофотонного сверхпроводникового детектора

В главе 4 исследуются нестабильность времени отклика однофотонн-ного детектирования тонкими сверхпроводящими пленками в условиях

>.*13 мкм

. • 4.2 К

L ■

смещения их током. Исследуются способы уменьшения длительности отклика сверхпроводникового детектора, которая ограничена кинетической индуктивностью тонкой и длинной сверхпроводниковой полоски МЬМ.

В §4.1 приведены результаты исследования джиттера однофотонного сверхпроводникового детектора на основе тонкой плёнки, с площадью чувствительного элемента 10x10 мкм2, измеренного по схеме совпадений (старт-стоп схема). Оптимизация регистрирующей и оптической системы позволила достичь джиттера всей системы равного 50 пс. В это значение входит как джиттер детектора, так и регистрирующей системы.

В §4.2 рассматриваются возможные пути увеличения быстродействия ЭБРО. Длительность отклика однофотонного сверхпроводникового детектора на основе тонкой пленки ГАЬХ зависит от кинетической индуктивности тонкой сверхпроводящей полоски (£.*). Для увеличения быстродействия БЭРБ необходимо уменьшить кинетическую индуктивность детектора. Кинетическую индуктивность можно уменьшить увеличением толщины сверхпроводниковой пленки, однако это приведет к уменьшению чувствительности детектора. Другой способ уменьшения кинетической индуктивности это увеличение ширины сверхпроводящей полоски, однако это также приведет к резкому снижению квантовой эффективности детектора, особенно в ИК диапазоне, т.к. энергии фотона будет уже недостаточно для перекрытия всей сверхпроводящей полоски, несущей сверхток, резистив-ной областью. Кинетическая индуктивность прямо пропорциональна длине сверхпроводящей полоски. Таким образом, уменьшая длину сверхпроводящей полоски, можно увеличить быстродействие однофотонного сверхпроводникового детектора, однако поставленная задача состоит в увеличении быстродействия ЗБРБ с сохранением рабочей площадки и квантовой эффективности детектора, а значит простое уменьшение длины сверхпроводящей полоски не является допустимым методом.

Одним из рассмотренных способов увеличения быстродействия является деление длинной сверхпроводящей полоски, покрывающей площадь 10 х 10 мкм2 на несколько секций и соединение их параллельно. В данной конфигурации, вся приемная площадка детектора остается заполненной, а длина сверхпроводящих полосок будет короче в N раз, где N - число секций, соединенных параллельно. Кинетическая индуктивность каждой секции будет равна Параллельное соединение уменьшает кинетическую индуктивность еще в N раз. Таким образом кинетическая индуктивность детектора, состоящего из N секций, соединенных параллельно, равна

ЦТ = (2)

где Ьк - кинетическая индуктивность стандартного однофотонного сверх-

Рис. 3. Фотографии образцов детекторов, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (слева), расчетные кривые импульсов (в центре) и осциллограммы откликов (справа) для двух- (а) и пятисекционных (б) образцов, соответственно

проводникового детектора, состоящего из одной длинной сверхпроводящей полоски, покрывающей всю рабочую площадку детектора.

Однако данный метод обладает существенным недостатком: часть тока, вытесненного из секции, поглотившей фотон, будет затекать в другие секции, и может повлечь возникновение двух и более импульсов в отклик на поглощение одного фотона.

В §4.3 изложен метод, позволяющий избавиться от возникновения дополнительных импульсов с БЭРБ, состоящего их нескольких параллельно соединенных секций, при поглощении фотона.

Для уменьшения кинетической индуктивности, ограничивающей быстродействие однофотонного сверхпроводникового детектора, длинная сверхпроводниковая полоска МЬМ, образующая меандр, делится на несколько секций одинаковой длины, которые подсоединяются параллельно к друг другу.

Секция, поглотившая фотон, становится резистивной, и ток в этой секции начинает уменьшаться. В то же время ток в других секциях увеличивается, т.к. ток, вытесненный из резистивной секции перераспределяется по схеме и часть этого тока затекает в каждую из сверхпроводящих секций. Однако благодаря кинетической индуктивности сверхпроводящих полосок, образующих каждую секцию, другие секции, которые находятся в сверхпроводящем состоянии, не шунтируют резистивную полоску, поглотившую фотон. В §4.2 показано, что данное решение имеет существенный недостаток, связанный с возникновением нескольких импульсов при погло-

щении всего одного фотона и возникающий из-за возможного неравенства критических токов в различных секциях. Чтобы избежать данной проблемы было решено последовательно с каждой полоской включить пленочный резистор, изготовленный из несверхпроводящего металла. Резисторы необходимы для ограничения тока и препятствуют одновременному переключению нескольких полосок при поглощении одного фотона.

Деление меандра БЭРБ на несколько более коротких секций, соединенных параллельно позволяет уменьшить длительность отклика детектора, сохранив прежнюю рабочую площадь детектора. Так деление образца площадью 10 х 10 мкм2 на 2 секции приводит к уменьшению длительности времени спада с 8 не до 2.2 не, а деление на 5 секций дает время спада меньше 0.7 не (рис. 3).

Глава 5. Применение однофотонных сверхпроводниковых детекторов в квантовой оптике и биофотонных исследованиях

В начале данной главы представлен обзор литературы по применению однофотонных сверхпроводниковых детекторов в квантовой оптике и электронике. Далее приводятся методики и результаты оригинальных измерений по применению ЭБРОв в оптической когерентной томографии и квантовой оптической когерентной томографии. Дополнительно анализируются возможности применения однофотонного сверхпроводникового детектора при исследованиии живых биологических объектов.

В §5.1 приведен литературный обзор существующих практических применений однофотонных сверхпроводниковых детекторов в квантовой криптографии и для неразрушающего метода диагностики сверхбольших интегральных схем.

В §5.2 продемонстрирована возможность применения однофотонного сверхпроводникового детектора ИК излучения в оптической когерентной томографии (ОКТ). Оптическая когерентная томография стала уже хорошо изученной и широко используемой техникой получения изображений в биологии и медицине [8, 9]. В ее основе лежат интероферометрические методы с использованием излучения с малой длиной когерентности. Это делает оптическую когерентную томографию высокочувствительным методом получения изображений. ОКТ позволяет получить продольное пространственное разрешение порядка единиц микрон при получении изображений рассеивающих элементов на расстоянии 2-3 мм вглубь от поверхности исследуемого объекта. Пространственное разрешение в ОКТ определяется длиной когерентности источника и улучшается при увеличении спектральной полосы излучения. Однако необходимо помнить, что результирующее разрешение определяется не только спектром излучателя, но и спектральным откликом всей оптической системы, включая спектральный отклик детектора излучения. БЭРБ имеет высокую чувствительность во всем спек-

тральном диапазоне необходимом для ОКТ в биологических образцах. Ни кремниевые (Si), ни InGaAs детекторы не покрывают спектральный диапазон, необходимый для исследований в биологический тканях (700-1500 нм).

В данной работе демонстрируется преимущество использования одно-фотонных сверхпроводниковых детекторов в оптической когерентной томографии. Полученные результаты подтвердили что однофотонный сверхпроводниковый. детектор позволяет существенно улучшить продольное пространственное разрешение в системах оптической когерентной томографии (2.9 мкм с SSPD против 4.7 мкм с Si ЛФД). Данный результат объясняется более высокой чувствительностью SSPD в ИК диапазоне, при том что кремниевый лавинный фотодиод практически нечувствителен к длинам волн более 1100 нм.

В §5.3 рассматривается применение SSPD в квантовой оптической когерентной томографии (KOKT). Квантовая оптическая когерентная томография является схожим методом с оптической когерентной томографией для получения секционных изображений в тканях. Однако этот метод имеет ряд существенных отличий и преимуществ. Использование неклассических источников света позволяет получать изображения с более глубоких слоев образца, благодаря уже хорошо известному эффекту отмены четных порядков дисперсии (dispersion cancellation) [10]. Это позволяет избежать дисперсионного уширения волнового пакета что, в свою очередь, улучшает различимость слоев, расположенных в глубине биологического образца.

Как и в экспериментальной технике используемой для оптической когерентной томографии, необходимым условием получения высокого разрешения является широкополосный источник излучения. Соответственно, и все оптические элементы, входящие в схему должны обладать широким спектром. Для получения широкого спектра в качестве источника использовался нелинейный кристалл лития танталат, периодически поляризованный, с изменяющимся периодом (C-PPSLT). Кристалл накачивался криптоновым лазером на длине волны Ар = 406 нм. Результирующий спектр кристалла был центрирован, соответственно, на длине волны 812 нм. Экспериментально полученная пространственная разрешающая способность была равна 0.99 и 0.82 мкм, с ЛФД и SSPD, соответственно. Таким образом, мы видим, что даже в установках по квантовой оптической томографии с центральной длиной волны порядка 800 нм, где кремниевые ЛФД имеют достоточно высокую чувствительность, использование однофотон-ных сверхпроводниковых детекторов с широкой спектральной полосой регистрации вносит дополнительное преимущество в разрешающей способности данного метода.

В §5.4 рассмотрены потенциальные возможности применения SSPD

в корреляционной инфракрасной микроскопии живых биологических образцов с высоким временным разрешением на примере исследования рыб данио-рерио (геЬгаАвЬ).

В заключении сформулированы научные результаты работы:

• Исследована зависимость квантовой эффективности от тока смещения однофотонного сверхпроводникового детектора на основе тонкой пленки NbN при разных рабочих температурах. Понижение температуры от 4.2 К до 2.0 К приводит к увеличению квантовой эффективности на телекоммуникационных длинахволн волн 1.3 мкм и 1.55 мкм в 4 - 6 раз.

• Квантовая эффективность однофотонного сверхпроводникового детектора на телекоммуникационных длинах волн 1.3 мкм и 1.55 мкм при рабочей температуре 2.0 К достигает максимальной величины и 30 %, которая ограничивается коэффициентом поглощения сверхпроводниковой 1\ТЬК наноструктуры.

• Исследована зависимость скорости темнового счета от транспортного тока для узких полосок из пленки толщиной 3.5, при температурах 2.0 - 4.2 К. Скорость темнового счета ББРО является экспоненциальной функцией приведенного транспортного тока, с показателем экспоненты, зависящим от температуры. Понижение рабочей температуры детектора с 4.2 до 2.0 К приводит к увеличению показателя экспоненты в ~2.3 раза. Минимальное экспериментально полученное значение скорости темнового счета ЭБРО при температуре 2.0 К составляет 3 • 10^4 с~х и ограничивается временем накопления данных.

• Измерена эквивалентная мощность шума однофотонного сверхпроводникового детектора на основе узкой полоски из в диапазоне длин волн 0.56 — 1.55 мкм при температуре 2 К. Эквивалентная мощность шума однофотонного сверхпроводникового ИЬИ детектора при рабочей температуре 2.0 К для телекоммуникационных длин волн 1.26 мкм и 1.55 мкм, вычисленная из измеренных значений квантовой эффективности и скорости темнового счета достигает 1.5 • Ю-20 Вт/Гц1/2 и 2 • Ю-20 Вт/Гц'^2, соответственно.

• Джиттер NbN однофотонного сверхпроводникового детектора площадью 10 х 10 мкм2 и толщиной пленки 3.5 нм, полученный методом совпадений составляет <50 пс.

• С помощью численного моделирования и экспериментальной проверки получено, что деление меандра БЭРБ на несколько более корот-

ких секций, соединенных параллельно, позволяет уменьшить длительность отклика детектора, сохранив прежнюю рабочую площадь детектора. Деление образца площадью 10 х 10 мкм2 на 2 секции приводит к уменьшению длительности времени спада с 8 не до 2.2 не, а деление на 5 секций дает время спада меньше 0.7 не.

• Однофотонный NbN детектор способен зарегистрировать излучение в более широком спектральном диапазоне по сравнению с лавинными фотодиодами, что приводит к увеличению разрешающей способности метода интерференции сигналов низкой когерентности. Для наиболее значимых для оптической когерентной томографии длин волн (700 -1500 нм) разрешающая способность метода с использованием SSPD достигает 2.9 мкм, что на 1.8 мкм меньше, чем с использованием кремниевого лавинного фотодиода.

• Использование однофотонных сверхпроводниковых детекторов в квантовой оптической когерентной томографии приводит к увеличению разрешающей способности данного метода. Использование однофотонных сверхпроводниковых детекторов вместо лавинных фотодиодов в квантовой оптической когерентной томографии с центральной длиной волны излучения 800 нм приводит к увеличению разрешающей способности данного метода с 0.99 до 0.82 мкм.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Nishant Mohan, Olga Minaeva, Gregory N. Gol'tsman, Magued B. Nasr, Bahaa E.A. Saleh, Alexander V. Sergienko, and Malvin C. Teich "Photon-Counting Optical Coherence-Domain Reflectometry Using Superconducting Single-Photon Detectors", Optics Express, (2008), v. 16, pp. 18118-18130; авторских 40%, 0.8 п.л.

2. Magued В. Nasr, Olga Minaeva, Gregory N. Goltsman, Alexander V. Sergienko, Bahaa Б. A. Saleh, and Malvin C. Teich "Submicron axial resolution in an ultrabroadband two-photon interferometer using superconducting single-photon detectors", Optics Express, (2008), v. 16, pp. 15104-15108; авторских 40%, 0.3 п.л.

3. A. Divochiy, F. Marsili, D. Bitauld, A. Gaggero, R. Leoni, F, Mattioli, A. Korneev, V. Seleznev, N. Kaurova, O. Minaeva. G. Gol'tsman, K.G. Lagoudakis, M. Benkhaoul, F. Levy, and A. Fiore, "Superconducting nanowire photon number resolving detector at telecommunications wavelengths", Nature Photonics, (2008), Vol.2, pp. 302-306; авторских 15%, 0.3 п.л.

4. I. Milostnaya, A. Korneev, M. Tarkhov, A. Divochiy, O. Minaeva. V. Seleznev, N. Kaurova, B. Voronov, O. Okunev, G. Chulkova, K. Smirnov,

G. Gol'tsman, "Superconducting Single Photon Nanowire Detectors Development for IR and THz Applications", J. Low Temp. Phys., (2008), 151, pp. 591-596; авторских 30%, 0.375 п.л.

Б. M. Tarkhov, J. Claudon, J. Ph. Poizat, A. Korneev, A. Divochiy, O. Minaeva. V. Selezncv, N. Kaurova, B. Voronov, A. V. Semenov, and G. Gol'tsman, "Ultrafast reset time of Superconducting Single Photon Detectors", Appl. Phys. Lett, (2008), 92, 241112; авторских 10%, 0.18 п.л.

6. A. Korneev, A. Divochiy, M. Tarkhov, O. Minaeva. V. Seleznev, N. Kaurova, B. Voronov, 0. Okunev, G. Chulkova, I. Milostnaya, K. Smirnov and G. Gol'tsman "New advanced generation of superconducting NbN-nanowire single-photon detectors capable of photon number resolving", Journal of Physics.- Conference Series, (2008), 97, 012307; авторских 15%, 0.375 п.л.

7. G. Gol'tsman, O.Minaeva. A.Korneev M. Tarkhov, I. Rubtsova, A. Divochiy, I. Milostnaya, G. Chulkova, N. Kaurova, B. Voronov, D. Pan, J. Kitaygorsky, A. Cross, A. Pearlman, I. Komissarov, W. Slysz, M. Wegrzecki, P. Grabiec, and Roman Sobolewski, "Middle-Infrared to Visible-Light Ultrafast Superconducting Single-Photon Detectors", IEEE Trans. Appl. Supercond., (2007), 17, pp. 246-251; авторских 40%, 0.375 п.л.

8. W. Slysz, M. Wegrzecki, J. Bar, P. Grabiec, M. Gorska, V. Zwiller, C. Latta, P. Bohi, A. J. Pearlman, A. S. Cross, D. Pan, I. Komissarov, A. Verevkin, I. Milostnaya, A. Korneev, O. Minaeva. G. Chulkova, K. Smirnov, B. Voronov, G. Gol'tsman, R. Sobolewski, "Fiber-coupled detector based on NbN superconducting single-photon nanostructures for quantum communications", Journal of Modern Optics, (2007), 54, pp. 315326; авторских 20%, 0.75 п.л.

9. A. Korneev, Y. Vachtomin, O. Minaeva. A. Divochiy, K. Smirnov, O. Okunev, G. Gol'tsman, C. Zinoni, N. Chauvin, L. Balet, F. Marsili, D. Bitauld, B. Alloing, L. Li, A. Fiore, L. Lunghi, A. Gerardino, M. Haider, C. Jorel, and H. Zbinden, "Single-Photon Detection System for Quantum Optics Applications", IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, (2007), Vol. 13, No. 4, pp. 944-951; авторских 40%, 0.5 п.л.

10. Elisabeth Reiger, Sander Dorenbos, Valery Zwiller, Alexander Korneev, Galina Chulkova, Irina Milostnaya, Olga Minaeva, Gregory Gol'tsman, Jennifer Kitaygorsky, Dong Pan, Wojtek Slysz, Arturas Jukna, and Roman Sobolewski, "Spectroscopy With Nanostructured Superconducting Single Photon Detectors", IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, (2007), Vol. 13, No. 4, pp. 934-943; авторских 30%, 0.63 п.л.

11. J. Kitaygorsky, I. Komissarov, A. Jukna, D. Pan, O. Minaeva, N. Kaurova, A. Divochiy, A. Korneev, M. Tarkhov, B. Voronov, I. Milostnaya, G. Gol'tsman, and Roman R. Sobolewski, "Dark Counts in Nanostructured NbN Superconducting Single-Photon Detectors and Bridges", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, (2007), volume 17, issue 1, pp. 275-278; авторских 20%, 0.25 п.л.

12. К. Smirnov, Л. Korneev, О. Minaeva. A. Divochiy, М. Tarkhov, S. Ryabchun, V. Seleznev, N. Kaurova, B. Voronov, G. Gol'tsman, S. Polonsky "Ultrathin NbN film superconducting single-photon detector array", Journal of Physics: Conference Series, (2007), 61, 1081-1085; авторских 30%, 0.3 п.л.

13. W. Slysz, M. Wegrzecki, J. Bar, M. Gorska, V. Zwiller, C. Latta, P. Bohi, I. Milostnaya, O. Minaeva. A. Antipov, O. Okunev, A. Korneev, K, Smirnov, B. Voronov, N. Kaurova, G. Gol'tsman, A. Pearlman, A. Cross, I. Komissarov, A. Verevkin, R. Sobolcwski, "Fiber-coupled single-photon detectors based on NbN superconducting nanostructures for practical quantum cryptography and photon-correlation studies", Appl. Phys. Lett., (2006), 88, 261113; авторских 30%, 0.18 п.л.

14. I. Milostnaya, A. Korneev, I. Rubtsova, V. Seleznev, O. Minaeva, G. Chulkova, O. Okunev, B. Voronov, K. Smirnov, G. Gol'tsman, W. Slysz, M. Wegrzecki, M. Guziewicz, J. Bar, M. Gorska, A. Pearlman, J. Kitaygorsky, A. Cross and R. Sobolewski ''Superconducting single-photon detectors designed for operation at 1.55-/im telecommunication wavelength", Journal of Physics: Conference Series, (2006), 43, 1334-1337; авторских 30%, 0.25 п.л,

15. A. Korneev, V. Matvienko, O. Minaeva, I. Milostnaya, I. Rubtsova, G. Chulkova, K. Smirnov, V. Voronov, G. Gol'tsman, W. Slysz, A. Pearlman, A. Verevkin, R. Sobolewski "Quantum efficiency and noise equivalent power of nanostructured NbN single-photon detectors in the wavelength range from visible to infrared", IEEE Trans, on Appl. Supercond., (2005), vol.15, No.a, pp.571-574; авторских 30%, 0.25 п.л.

16. А. Корнеев, О. Минаева. И Рубцова, И Милостная, Г. Чулкова, В. Воронов, К. Смирнов, В. Селезнев, Г. Гольцман, А. Перлман, В. Слыш, А. Кросс, П. Альварес, А. Веревкии, и Р. Соболевский "Сверхпроводящий однофотонный детектор на основе ультратонкой пленки NbN", Квантовая электроника, (2005), 35(8) 698-700; авторских 40%, 0.18 п.л.

17. G. Gol'tsman, A. Korneev, I. Rubtsova, I. Milostnaya, G. Chulkova, O. Minaeva. K. Smirnov, B. Voronov, W. Slysz, A. Pearlman, A. Verevkin, R. Sobolewski, "Ultrafast superconducting single-photon detectors for near-infrared-wavelength quantum communications", Phys. Stat. Sol., (2005), 2, No 5, p 1480-1488; авторских 30%, 0.5 п.л.

Патенты:

1. Патент на изобретение № 2300825 зарегистрирован 10.06.2007, приоритет от 21.12.2005, "Быстродействующий сверхпроводниковый однофотонный детектор", авторы Гольцман Г.Н., Чулкова Г.М., Оку-нев О.В., Воронов В.М., Каурова Н.С., Корнеев А.А., Антипов А.В., Минаева О.В.

2. Патент на изобретение № 2327253 зарегистрирован 20.06.2008, заявка от 15.08.2006, "Быстродействующий сверхпроводниковый однофотонный детектор с полосковыми резисторами", авторы Гольцман Г.Н., Чулкова Г.М., Окунев О.В., Мельников А.П., Воронов В.М., Каурова Н.С. Корнеев А.А., Антипов А.В., Минаева О.В.. Дивочий А.В.

Литература

[I] Non-invasive CMOS circuit testing with NbX superconducting single-photon detectors / J. Zhang, N. Boiadjieva, G. Chulkova, H. Deslandes, G. Gol'tsman, A. Korneev, P. Kouminov, M. Leibowitz et al. // Elect. Lett. - 2003. - Vol. 39. - Pp. 1086—1088.

[2j New photon detector for device analysis: Superconducting single-photon detector based on a hot electron effect / S. Somani, S. Kasapi, K. Wilsher, W. Lo, R. Sobolewski, G. Gol'tsman // J. Vac. Set. Technol. B. - 2001. - Vol. 19, no. 6. - Pp. 2766-2769.

[3] Demonstration of a low-noise near-infrared photon counter with multiphoton discrimination / A. Miller, S. Nam, J. Martinis, A. Sergienko // Appl. Phys. Lett. — 2003. Vol. 83. P. 791.

[4] picosecond superconducting single-photon optical detector / G. Gol'tsman, O. Okunev, G. Chulkova, A. Lipatov, A. Semenov, K. Smirnov, B. Voronov, A. Dzardanov et al. // Applied Physics Letters. - 2001. - Vol. 79. - Pp. 705-707.

[5] Komeev A., Kouminov P., et al. Sensitivity and gigahertz counting performance of NbN superconducting single-photon detectors // Applied Physics Letters. — 2004. — Vol. 84, no. 26. - Pp. 5338-5340.

[6] Корнеев А. Квантовая эффективность и темновой счет NbN сверхпроводникового инфракрасного однофотонного детектора: диссертация на соискание степени кандидата физико-математических наук / Московский педагогический государственный университет. — 2006.

[7j Ultrafast superconducting single-photon detectors for near-infrared-wavelength quantum communications / G. Gol'tsman, A. Korneev, I. Rubtsova, I. Milostnaya, G. Chulkova, O. Minaeva, K. Smirnov, B. Voronov et al. // Physica Status Solidi.— 2005. - Vol. 2, no. 5. - Pp. 1480-1488.

[8| Optical coherence tomography - principles and applications / A. F. Fercher, W. Drexler, С. K. Hitzenberger, T. Lasser // Rep. Prog. Phys. 2003. Vol. 66. Pp. 239 -303.

[9] Optical biopsy and imaging using optical coherence tomography / J. G. Fujimoto, M. E.. Brezinski, G. J. Tearney, S. A. Boppart, B. Bouma, M. R. Нее, J. F. Southern, E. A. Swanson // Nat. Med. - 1995. - Vol. l.-Pp. 970-972.

[10] Franson J. D. Nonlocal cancellation of dispersion // Phys. Rev. A. — 1992. — Vol. 45. — Pp. 3126-3132.

Подп. к печ. 01.04.2009 Объем 1.25 п.л. Заказ №. 48 Тир 100

Типография МПГУ

Список сокращений и условных обозначений

Введение

Глава 1. Обзор литературы. Механизм работы однофотонного сверхпроводникового детектора (SSPD)

1.1 Однофотонные детекторы видимого и ИК диапазонов

1.2 Процессы образования неоднородных резистивных состояний в сверхпроводящих пленках

1.3 Механизм работы однофотонного сверхпроводникового детектора

1.4 Форма и длительность импульса.

Глава 2. Методы отбора образцов и методики экспериментов по исследованию характеристик однофотонного сверхпроводникового детектора.

2.1 Методика отбора образцов

2.2 Учет влияния "повторных" импульсов на величину квантовой эффективности

2.3 Экспериментальная установка и методика эксперимента по исследованию зависимости квантовой эффективности и скорости темновых срабатываний при температурах 4.2, 3.2 и

К от тока смещения.

2.4 Методика исследования джиттера SSPD по схеме совпадений (старт-стоп система).

2.5 Выводы

Глава 3. Квантовая эффективность, скорость темнового счета и эквивалентная мощность шума SSPD при рабочих температурах 2 — 4.2К

3.1 Зависимость квантовой эффективности SSPD от транспортного тока при температурах 4.2, 3.2 и 2 К

3.2 Зависимость скорости темновых срабатываний от транспортного тока при разных рабочих температурах.

3.3 Эквивалентная мощность шума SSPD при рабочей температуре 2К.

3.4 Выводы.

Глава 4. Исследование временных параметров и способы увеличения быстродействия однофотонного сверхпроводникового детектора

4.1 Исследование джиттера SSPD по схеме совпадений (старт-стоп система).

4.2 Способы увеличения быстродействия однофотонного сверхпроводникового детектора

4.3 Ультрабыстрый однофотонный сверхпроводниковый детектор

4.4 Выводы.

Глава 5. Применение однофотонных сверхпроводниковых детекторов в квантовой оптике и биофотонных исследованиях

5.1 Литературный обзор применений однофотонных сверхпроводниковых детекторов ИК диапазона

5.2 Экспериментальная демонстрация преимуществ применения SSPD в оптической когерентной томографии (ОКТ)

5.3 Экспериментальная демонстрация применения SSPDs в квантовой оптической когерентной томографии (КОКТ)

5.4 Анализ перспектив применения однофотонных сверхпроводниковых детекторов излучения в биофотонных исследовани

5.5 Выводы.

В настоящее время приборы ИК диапазона широко применяются в научных исследованиях, промышленности, военном деле. Можно привести множество примеров практического использования этих приборов: дистанционное измерение температур и теплового излучения различных тел, химический анализ веществ по спектрам их поглощения и излучения в ИК области спектра, инфракрасные астрономические исследования, тепловидение, обнаружение морских, наземных, воздушных объектов, тестирование микросхем, квантовая криптография, квантовые компьютеры.

Значение ИК техники возросло в связи с освоением космического пространства. ИК радиометры и спектрометры различных типов, установленные на космических аппаратах, успешно используются для дистанционного изучения земных и водных ресурсов, исследования метеорологических процессов, а также изучения планет Солнечной системы.

Для многих применений требуются ИК приемники с чувствительностью, позволяющей регистрировать одиночные кванты света. Одним из таких применений, требующих использования детекторов, обладающих од-нофотонной чувствительностью, является тепловая томография микросистем, которую, в силу слабой интенсивности теплового излучения микроструктур, проблематично проводить с помощью других приёмников излучения. Так, при работе микропроцессоров и других интегральных микросхем, в момент переключения отдельной МОП структуры, из каждого канала пары транзисторов происходит излучение инфракрасных световых квантов, позволяющее регистрировать последовательность работы элементов схемы и проводить, таким образом, ее диагностику [1, 2]. Усилия разработчиков направлены на увеличение скорости срабатывания ключевых элементов и снижение энергетических затрат при переключении. Используя в тестерах микросхем уже известные однофотонные детекторы, приходится значительно увеличивать время наблюдения, что в сочетании со всё возрастающим числом элементов интегральных схем сильно увеличивает общее время тестирования и не позволяет проводить этим методом контроль качества микропроцессоров в процессе производства.

Приемники на базе фотоумножителей и полупроводниковых лавинных диодов могут работать в однофотонном режиме в видимом и ближнем ИК диапазоне. Работа этих приборов основана на использовании каскадного размножения электронов, позволяющего зарегистрировать электрический импульс. К сожалению, такая схема регистрации приводит к относительно большой инерционности прибора и ограничивает их использование временами более 1 не.

В последние годы всё чаще прогресс телекоммуникационных и информационных систем связывают с появлением квантовой криптографии и обработкой информации квантовыми системами (квантовые компьютеры). В связи с этим возрос интерес к особому классу оптоэлектрических приборов - однофотонных детекторов оптического излучения, позволяющих с высоким быстродействием регистрировать одиночные кванты света. Квантовые оптические технологии, на которых основаны применения в квантовой криптографии разработаны для работы на телекоммуникационных длинах волн, т.е. в ближнем ИК диапазоне. Использование сверхчувствительных однофотонных детекторов в оптических телекоммуникационных системах дает возможность регистрации сигнала без использования дорогостоящих оптических усилителей, что особо важно для протяженных трансконтинентальных волоконно-оптических линий связи. Кроме того, это открывает уникальные возможности для защиты передаваемой информации путем создания квантово-криптографических систем.

Детекторы, обладающие высокой чувствительностью в ИК диапазоне, низким уровнем темнового счета и малым джиттером позволят улучшить временное разрешение при измерениях времени когерентности спонтанного излучения и корреляционной функции источников, что приведет к продвижению исследований однофотонных источников излучения, спонтанного параметрического рассеяния и его применений.

Применения в квантовой метрологии, такие, например, как оптическая и квантовая оптическая когерентная томография [3, 4] требуют быстрых детекторов, обладающих высокой чувствительностью в широком спектральном диапазоне от видимого до ИК. Оптическая когерентная томография является альтернативой хирургической биопсии. Данный метод исследований позволяет обнаружить аномалии в распределении плотности биологической ткани и дает микронное разрешение. Пространственное разрешение зависит от длины когерентности источника излучения, используемого в оптической томографии, а значит от ширины спектра. Время сканирования ткани будет зависеть от быстродействия детектора, его чувствительности и скорости ложных срабатываний. К сожалению, традиционно использующиеся однофотонные детекторы, такие как лавинные фотодиоды и фотоэлектронные умножители, не обладают достаточно широкой спектральной чувствительностью и быстродействием.

Исследования проведенные за последние несколько лет [5, 6] показали перспективность разработки однофотонных детекторов на основе тонкопленочных сверхпроводников. Детекторы, на основе тонкой пленки NbN, обладают квантовой эффективностью до 10% на длине волны 1.3 мкм и до 6% на длине волны 1.55 мкм. Эквивалентная мощность шума детекторов составляет 6 • Ю-18 Вт/Гц1/2 и 2 • Ю-17 Вт/Гц1/2 на длинах волн 1.3 и 1.55 мкм, соответственно. Квантовая эффективность недостаточно высока в ИК диапазоне. Данные детекторы имеют длительность импульса порядка 10 не, что ограничивает их максимальную скорость счета фотонов.

Проанализировав параметры детекторов, необходимых для различных применений и характеристики существующих однофотоиных детекторов, приходим к выводу, что разработка и оптимизация характеристик быстродействующего, однофотонного сверхпроводникового детектора, работающего в широком спектральном диапазоне и обладающего низким уровнем темнового счета, является, несомненно, актуальной задачей.

Целью диссертационной работы являлось исследование характеристик однофотонных сверхпроводниковых детекторов, созданных на базе тонких пленок NbN, увеличение быстродействия детектора и исследование возможностей практического применения однофотонных сверхпроводниковых детекторов вместо традиционно используемых полупроводниковых однофотонных детекторов. Это включало в себя исследование влияния физических условий наблюдения - рабочей температуры и тока смещения на квантовую эффективность на различных длинах волн и вероятность ложных срабатываний (в отсутствие падающего излучения), измерение величины эквивалентной мощности шума и нестабильности переднего фронта импульса - джиттера детектора, оптимизацию конфигурации сверхпроводниковой полоски, являющейся чувствительным элементом детектора, с целью повышения его быстродействия, а также разработку установок для измерения разрешающей способности методов оптической и квантовой оптической когерентной томографии с использованием однофотонных сверхпроводниковых детекторов излучения.

В качестве объекта исследования выбраны сверхпроводниковые полоски нитрида ниобия шириной порядка 100 нм и длиной от 100 до 500 мкм, изготовленные методом электроннолучевой литографии из плёнок NbN толщиной 3.5 нм. Плёнки были нанесены на полированную сапфировую подложку методом магнетронного распыления Nb в газовой смеси N2 и Аг. Для удобства практического применения детектора, сверхпроводниковая полоска изготавливалась в виде меандра, покрывающего площадку 10x10 мкм2, что существенно упрощает совмещение детектора со стандартным телекоммуникационным оптическим одномодовым волокном.

Предмет работы включает в себя:

• Разработку и изготовление экспериментальных установок для измерений квантовой эффективности исследуемых образцов в интервале рабочих температур от 2.0 К до 4.2 К в диапазоне длин волн 0.56—1.55 мкм, для измерения скорости темнового счета детектора, а также для измерения джиттера однофотонного сверхпроводникового детектора методом совпадений.

• Разработку и изготовление экспериментальных установок для измерения разрешающей способности методов оптической когерентной томографии и квантовой оптической когерентной томографии с использованием однофотонных сверхпроводниковых детекторов.

• Измерение квантовой эффективности исследуемых структур в зависимости от рабочего тока, длины волны излучения, и рабочей температуры.

• Измерение зависимости скорости темнового счета от величины рабочего тока и рабочей температуры и вычисление величины эквивалентной мощности шума из измеренных и экстарполированных данных по квантовой эффективности и скорости темнового счета детектора при рабочей температуре 2 К.

• Измерение разрешающей способности методов оптической когерентной томографии и квантовой оптической когерентной томографии с использованием лавинных фотодиодов и однофотонных сверхпроводниковых детекторов.

• Разработку конфигурации детектора, позволяющей уменьшить длительность отклика, а следовательно, улучшить его быстродействие.

Особенностью методик исследования однофотонных процессов является статистический характер измеряемых величии. Излучение источников, подаваемое на образец, ослаблялось настолько, что время отклика образца на поглощение фотона было много меньше среднего времени между попаданиями фотонов на образец. Это обеспечивало однофотонность отклика как в случае работы с непрерывными источниками излучения, так и с импульсными источниками. Статистический характер имеют квантовая эффективность и другие измеряемые величины, такие как, длительность отклика и джиттер детектора.

В процессе работы были получены следующие новые научные результаты:

• Исследована зависимость квантовой эффективности от тока смещения однофотонного сверхпроводникового детектора на основе тонкой пленки NbN при разных рабочих температурах. Понижение температуры от 4.2 К до 2.0 К приводит к увеличению квантовой эффективности на телекоммуникационных длинах волн 1.3 мкм и 1.55 мкм приблизительно в 5 раз.

Квантовая эффективность однофотонного сверхпроводникового детектора на телекоммуникационных длинах волн 1.3 мкм и 1.55 мкм при рабочей температуре 2.0 К достигает максимальной величины ~ 30 %, которая соответствует коэффициенту поглощения сверхпроводниковой NbN наноструктуры, т.е. детектор в данном режиме срабатывает на каждый поглощенный фотон.

Исследована зависимость скорости темнового счета от транспортного тока для узких полосок из пленки NbN толщиной 3.5 нм, при температурах 2.0 - 4.2 К. Скорость темнового счета экспоненциально зависит от приведенного транспортного тока. Понижение рабочей температуры детектора приводит к увеличению показателя экспоненты.

Из экспериментальных данных по квантовой эффективности и скорости темнового счета вычислена эквивалентная мощность шума однофотонного сверхпроводникового детектора на основе узкой полоски из NbN в диапазоне длин воли 0.56 — 1.55 мкм при температуре 2 К.

Методом совпадений измерен джиттер NbN однофотонного сверхпроводникового детектора площадью 10 х 10 мкм2 и толщиной пленки 3.5 нм.

С помощью численного моделирования и экспериментальной проверки получено, что деление меандра SSPD на несколько более коротких секций, соединенных параллельно, позволяет уменьшить длительность отклика детектора, сохранив прежнюю рабочую площадь детектора.

Однофотонный NbN детектор способен зарегистрировать излучение в более широком спектральном диапазоне по сравнению с лавинными фотодиодами, что приводит к увеличению разрешающей способности методов интерференции сигналов низкой когерентности.

На защиту выносятся следующие положения:

Понижение рабочей температуры однофотонного сверхпроводникового детектора на основе тонкой пленки NbN толщиной 3.5 нм площадью 10x10 мкм2 с 4.2 до 2.0 К приводит к увеличению квантовой эффективности на длинах волн 1.3 мкм и 1.55 мкм в 4 - 6 раз.

Квантовая эффективность однофотонного сверхпроводникового детектора на телекоммуникационных длинах волн 1.3 мкм и 1.55 мкм при рабочей температуре 2.0 К достигает максимальной величины и 30 %.

Скорость темнового счета SSPD является экспоненциальной функцией приведенного транспортного тока, с показателем экспоненты, зависящим от температуры. Понижение рабочей температуры детектора с 4.2 до 2.0 К приводит к увеличению показателя экспоненты в ^2.3 раза. Минимальное экспериментально полученное значение скорости темнового счета SSPD при температуре 2.0 К составляет 3-10~4 с-1 и ограничивается временем накопления данных.

Из полученных зависимостей квантовой эффективности и скорости темнового счета при разных температурах следует, что соотношение сигнал/шум увеличивается при более глубоком охлаждении NbN детектора. Эквивалентная мощность шума однофотонного сверхпроводникового NbN детектора при рабочей температуре 2.0 К для телекоммуникационных длин волн 1.26 мкм и 1.55 мкм, вычисленная из измеренных значений квантовой эффективности и скорости темнового счета достигает 1.5 • 10 20 Вт/Гц1/2 и 2 • 10 20 Вт/Гц1/2, соответственно.

• Джиттер NbN однофотонного сверхпроводникового детектора площадью 10 х 10 мкм2 и толщиной пленки 3.5 нм, полученный методом совпадений (старт-стоп схема), составляет менее 50 пс.

• Деление меандра SSPD на несколько более коротких секций, соединенных параллельно позволяет уменьшить длительность отклика детектора, сохранив прежнюю рабочую площадь детектора. Так, деление образца площадью 10 х 10 мкм2 на 2 секции приводит к уменьшению длительности времени спада с 8 не до 2.2 не, а деление на 5 секций дает время спада меньше 0.7 не.

• Разрешающая способность метода оптической когерентной томографии с центральной длиной волны излучения источника около 1100 нм с использованием SSPD достигает 2.9 мкм, что на 1.8 мкм меньше, чем с использованием кремниевого лавинного фотодиода. Данное значение ограничено не спектральным откликом SSPD, а спектром источника излучения.

• Использование однофотонных сверхпроводниковых детекторов в квантовой оптической когерентной томографии с центральной длиной волны излучения 800 нм приводит к увеличению разрешающей способности данного метода с 0.99 до 0.82 мкм.

Практическая значимость работы.

Практическим результатом работы явилось создание быстродействующего детектора одиночных фотонов на основе эффекта однофотонного детектирования оптического и ИК излучений тонкопленочными сверхпроводящими наноструктурами. Детектор обладает рекордными характеристиками по быстродействию и чувствительности в широком спектральном диапазоне от УФ до ИК. Были созданы установки для измерения разрешающей способности методов оптической и квантовой оптической когерентной томографии на основе спонтанного параметрического рассеяния света в качестве широкополосного источника излучения и с использованием данных сверхпроводниковых наноструктур в качестве детекторов излучения. Показана перспективность применеиия однофотонных сверхпроводниковых детекторов в корреляционной инфракрасной микроскопии живых биологических образцов с высоким временным разрешением.

В 2005 году на базе УНРЦ МПГУ было создано Закрытое акционерное общество «Сверхпроводниковые нанотехнологии»1 («Scontel») как малое предприятие, ориентированное на реализацию научных разработок коллектива в области научного приборостроения. «Scontel» успешно занимается коммерциализацией в частности однофотонных сверхпроводниковых детекторов, являющихся объектом исследования данной диссертационной работы. Одно- и двухканальные приемные системы2 с однофотонными сверхпроводниковыми детекторами видимого и ИК диапазона пользуются большим спросом по всему миру. Системы уже были поставлены в Италию, Францию, Австрию, Швейцарию, США, Китай, Японию и нашли широкое применение в различных областях, таких как квантовая криптография, исследование люминесценции квантовых точек, оптическая когерентная томография и др.

Во время проведения исследования были получены следующие патенты: патент на изобретение № 2300825 зарегистрирован 10.06.2007 приоритет от 21.12.2005, "Быстродействующий сверхпроводниковый однофотон

Ihttp://www.scontel.ru

2http:// www.scontel.ru/ScontelEng/Production/tcoprs001tex. html ный детектор", авторы Гольцман Г.Н., Чулкова Г.М., Окунев О.В., Воронов Б.М., Каурова Н.С., Корнеев А.А., Антипов А.В., Минаева О.В; патент на изобретение № 2327253 зарегистрирован 20.06.2008, Заявка 15.08.2006 № 2006.129452 "Быстродействующий сверхпроводниковый одно-фотониый детектор с полосковыми резисторами" авторы Гольцман Г. Н., Чулкова Г. М., Окунев О. В., Мельников А. П., Воронов Б. М., Каурова Н. С. Корнеев А. А., Антипов А. В., Минаева О. В., Дивочий А. В.

Достигнутые характеристики детектора позволят улучшить параметры уже существующих применений в различных областях. Значительное увеличение быстродействия и квантовой эффективности позволит существенно сократить время тестирования при анализе работы больших интегральных схем [2, 7, 1], увеличить длину и скорость передачи данных в оптических телекоммуникационных линиях связи, квантовой криптографии, квантовых компьютерах и т.д. Кроме того, улучшенные характеристики однофотонного детектора приведут к продвижению исследований однофотонных источников излучения, спонтанного параметрического рассеяния и его применений в различных корреляционных методах исследования.

Диссертация состоит из Введения, пяти глав и Заключения.

5.5 Выводы

Из обзора литературы: использование однофотонных сверхпроводниковых детекторов в квантовой криптографии позволяет создать квантово -криптографическую линию в оптическом волокне длиной в 200 км, где потери составляют 42.1 дБ, что более чем на 20 дБ больше чем в предыдущих экспериментах.

Из обзора литературы: использование сверхпроводящего однофотонного детектора в методе PICA позволяет собирать данные параллельно с многих отдельных транзисторов с достаточно большой площади интегральных микросхем, изготовленных по субмикронной технологии, с высоким временным разрешением.

По результатам экспериментальных исследований, проведенных соискателем: продемонстрирована возможность применения однофотонного сверхпроводникового детектора ИК излучения в оптической когерентной томографии. SSPD имеет высокую чувствительность во всем спектральном диапазоне необходимом для ОКТ в биологических образцах. Ни кремниевые (Si), ни InGaAs детекторы пе покрывают спектральный диапазон, необходимый для исследований в биологический тканях (700-1500 нм). В дополнение к высокой чувствительности SSPD обладает высокой скоростью счета (до 100 МГц для стандартного детектора и несколько ГГц для параллельной структуры SSPD), что позволяет сократить время сканирования при наличии достаточно сильного сигнала.

Соискателем экспериментально продемонстрировано улучшение разрешающей способности метода квантовой оптической когерентной томографии при применении однофотонных сверхпроводниковых детекторов. Получены результаты, показывающие явное преимущество данных детекторов в спектральной чувствительности по сравнению' с лавинными фотодиодами.

Обсуждаются особенности разработанной соискателем системы корреляционной инфракрасной микроскопии с высоким временным разрешением для исследования нервных тканей рыб дапио-рерио, которая позволит проводить множество аналогичных исследований в биомедицине, требующих низкоэнергетичной микроскопии с использованием однофотонного счета.

Заключение

В процессе работы были получены следующие новые научные результаты:

• Исследована зависимость квантовой эффективности от тока смещения однофотонного сверхпроводникового детектора на основе тонкой пленки NbN при разных рабочих температурах. Понижение температуры от 4.2 К до 2.0 К приводит к увеличению квантовой эффективности на телекоммуникационных длинахволн волн 1.3 мкм и 1.55 мкм приблизительно в 4 -6 раз.

• Квантовая эффективность однофотонного сверхпроводникового детектора на телекоммуникационных длинах волн 1.3 мкм и 1.55 мкм при рабочей температуре 2.0 К достигает максимальной величины ~ 30 %, которая ограничивается коэффициентом поглощения сверхпроводниковой NbN наноструктуры.

• Исследована зависимость скорости темнового счета от транспортного тока для узких полосок из пленки NbN толщиной 3.5, при температурах 2.0 - 4.2 К. Скорость темнового счета SSPD является экспоненциальной функцией приведенного транспортного тока, с показателем экспоненты, зависящим от температуры. Понижение рабочей температуры детектора с 4.2 до 2.0 К приводит к увеличению показателя экспоненты в ^2.3 раза. Минимальное экспериментально полученное значение скорости темнового счета SSPD при температуре 2.0 К составляет 3 • Ю-4 с-1 и ограничивается временем накопления данных.

Измерена эквивалентная мощность шума однофотонного сверхпроводникового детектора на основе узкой полоски из NbN в диапазоне длин волн 0.56 — 1.55 мкм при температуре 2 К. Эквивалентная мощность шума однофотонного сверхпроводникового NbN детектора при рабочей температуре 2.0 К для телекоммуникационных длин волн 1.26 мкм и 1.55 мкм, вычисленная из измеренных значений квантовой эффективности и скорости темнового счета достигает 1.5 • Ю-20 Вт/Гц1/2 и 2 • Ю-20 Вт/Гц1/2, соответственно.

Джиттер NbN однофотонного сверхпроводникового детектора площадью 10 х 10 мкм2 и толщиной пленки 3.5 нм, полученный методом совпадений составляет <50 пс.

С помощью численного моделирования и экспериментальной проверки получено, что деление меандра SSPD на несколько более коротких секций, соединенных параллельно, позволяет уменьшить длительность отклика детектора, сохранив прежнюю рабочую площадь детектора. Деление образца площадью 10 х 10 мкм2 на 2 секции приводит к уменьшению длительности времени спада с 8 не до 2.2 не, а деление на 5 секций дает время спада меньше 0.7 не.

Однофотонный NbN детектор способен зарегистрировать излучение в более широком спектральном диапазоне по сравнению с лавинными фотодиодами, что приводит к увеличению разрешающей способности метода интерференции сигналов низкой когерентности. Для наиболее значимых для оптической когерентной томографии длин волн (700 -1500 нм) разрешающая способность метода с использованием SSPD достигает 2.9 мкм, что на 1.8 мкм меньше, чем с использованием кремниевого лавинного фотодиода.

• Использование однофотонных сверхпроводниковых детекторов в квантовой оптической когерентной томографии приводит к увеличению разрешающей способности данного метода. Использование однофотонных сверхпроводниковых детекторов вместо лавинных фотодиодов в квантовой оптической когерентной томографии с центральной длиной волны излучения 800 нм приводит к увеличению разрешающей способности данного метода с 0.99 до 0.82 мкм.

Практическая значимость работы.

Был создан и запатентован быстродействующий детектор одиночных фотонов на основе эффекта однофотонного детектирования оптического и ИК излучений тонкопленочными сверхпроводящими наноструктурами. Детектор обладает рекордными характеристиками по быстродействию и чувствительности в широком спектральном диапазоне от УФ до ИК. Показано, что использование SSPDs приводит к существенному улучшению разрешающей способности методов оптической и квантовой оптической когерентной томографии. Показана перспектива применения однофотонных сверхпроводниковых детекторов в корреляционной инфракрасной микроскопии живых биологических образцов с высоким временным разрешением.

Одно- и двухканальные приемные системы с однофотонными сверхпроводниковыми детекторами видимого и ИК диапазона пользуются большим спросом по всему миру. Закрытым акционерным обществом «Сверхпроводниковые нанотехнологии», созданным на базе УНРЦ МПГУ, приемные системы с SSPD уже были поставлены в Италию, Францию, Австрию, Швейцарию, США, Китай, Японию и нашли широкое применение в различных областях, таких как квантовая криптография, исследование люминесценции квантовых точек и оптическая когерентная томография.

В заключение автор выражает глубокую благодарность научному руководителю профессору Г.Н. Гольцману за прекрасную организацию научной работы, профессору Бостонского Университета А.В. Сергиенко за возможность проведения экспериментов по применению однофотонных сверхпроводниковых детекторов в оптической когерентной томографии и квантовой оптической когерентной томографии и ценные рекомендации по написанию диссертационного исследования. Автор выражает искреннюю признательность всем коллегам по работе, за помощь в выполнении работы и дружеское участие. Особая благодарность выражается Б.М. Воронову и руководимой им технологической группе за изготовление уникальных плёнок и структур, без которых данное исследование было бы невозможно.

Список публикаций автора

1. Nishant Mohan, Olga Minaeva, Gregory N. Gol'tsman, Magued

B. Nasr, Bahaa E.A. Saleh, Alexander V. Sergienko, and Malvin C. Teich "Photon-Counting Optical Coherence-Domain Reflectometry Using Superconducting Single-Photon Detectors", Optics Express, (2008), v. 16, pp. 18118-18130; авторских 40%, 0.8 п.л.

2. Magued B. Nasr, Olga Minaeva, Gregory N. Goltsman, Alexander V. Sergienko, Bahaa E. A. Saleh, and Malvin

C. Teich "Submicron axial resolution in an ultrabroadband two-photon interferometer using superconducting single-photon detectors", Optics Express, (2008), v. 16, pp. 15104-15108; авторских 40%, 0.3 п.л.

3. A. Divochiy, F. Marsili, D. Bitauld, A. Gaggero, R. Leoni, F. Mattioli, A. Korneev, V. Seleznev, N. Kaurova, O. Minaeva, G. Gol'tsman, K.G. Lagoudakis, M. Benkhaoul, F. Levy, and A. Fiore, "Superconducting nanowire photon number resolving detector at telecommunications wavelengths Nature Photonics, (2008), Vol.2, pp. 302-306; авторских 15%, 0.3 п.л.

4. I. Milostnaya, A. Korneev, M. Tarkhov, A. Divochiy, O. Minaeva, V. Seleznev, N. Kaurova, B. Voronov, O. Okunev, G. Chulkova, K. Smirnov, G. Gol'tsman, "Superconducting Single Photon Nanowire Detectors Development for IR and THz Applications", J. Low Temp. Phys., (2008), 151, pp.

591-596; авторских 30%, 0.375 п.л.

5. М. Tarkhov, J. Claudon, J. Ph. Poizat, A. Korneev, A. Divochiy, O. Minaeva, V. Seleznev, N. Kaurova, B. Voronov, A. V. Semenov, and G. Gol'tsman, "Ultrafast reset time of Superconducting Single Photon Detectors Appl. Phys. Lett, (2008), 92, 241112; авторских 10%, 0.18 п.л.

6. A. Korneev, A. Divochiy, M. Tarkhov, O. Minaeva, V. Seleznev, N. Kaurova, B. Voronov, O. Okunev, G. Chulkova, I. Milostnaya, K. Smirnov and G. Gol'tsman "New advanced generation of superconducting NbN-nanowire single-photon detectors capable of photon number resolving" Journal of Physics: Conference Series, (2008), 97, 012307; авторских 15%,

0.375 п.л.

7. G. Gol'tsman, O.Minaeva, A.Korneev M. Tarkhov, I. Rubtsova, A. Divochiy, I. Milostnaya, G. Chulkova, N. Kaurova, B. Voronov, D. Pan, J. Kitaygorsky, A. Cross, A. Pearlman,

1. Komissarov, W. Slysz, M. Wegrzecki, P. Grabiec, and Roman Sobolewski, "Middle-Infrared to Visible-Light Ultrafast Superconducting Single-Photon Detectors IEEE Trans. Appl. Supercond., (2007), 17, pp. 246-251; авторских 40%, 0.375 п.л.

8. W. Slysz, M. Wegrzecki, J. Bar, P. Grabiec, M. Gorska, V. Zwiller, C. Latta, P. Bohi, A. J. Pearlman, A. S. Cross, D. Pan, I. Komissarov, A. Verevkin, I. Milostnaya, A. Korneev, O. Minaeva, G. Chulkova, K. Smirnov, B. Voronov, G. Gol'tsman, R. Sobolewski, "Fiber-coupled detector based on NbN superconducting single-photon nanostructures for quantum communications", Journal of Modern Optics, (2007),

54, pp. 315-326; авторских 20%, 0.75 п.л.

9. A. Korneev, Y. Vachtomin, О. Minaeva, A. Divochiy, K. Smirnov, O. Okunev, G. Gol'tsman, C. Zinoni, N. Chauvin, L. Balet, F. Marsili, D. Bitauld, B. Alloing, L. Li, A. Fiore, L. Lunghi, A. Gerardino, M. Haider, C. Jorel, and

H. Zbinden, "Single-Photon Detection System for Quantum Optics Applications IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, (2007), Vol. 13, No. 4, pp. 944-951; авторских 40%, 0.5 п.л.

10. Elisabeth Reiger, Sander Dorenbos, Valery Zwiller, Alexander Korneev, Galina Chulkova, Irina Milostnaya, Olga Minaeva, Gregory Gol'tsman, Jennifer Kitaygorsky, Dong Pan, Wojtek Slysz, Arturas Jukna, and Roman Sobolewski, "Spectroscopy With Nanostructured Superconducting Single Photon Detectors IEEE Journal of selected topics in quantum electronics, (2007), Vol. 13, No. 4, pp. 934-943; авторских 30%, 0.63 п.л.

11. J. Kitaygorsky, I. Komissarov, A. Jukna, D. Pan, O. Minaeva, N. Kaurova, A. Divochiy, A. Korneev, M. Tarkhov, B. Voronov,

I. Milostnaya, G. Gol'tsman, and Roman R. Sobolewski, "Dark Counts in Nanostructured NbN Superconducting Single-Photon Detectors and Bridges "IEEE Transactions on Applied Superconductivity, (2007), volume 17, issue 1, pp. 275-278; авторских 20%, 0.25 п.л.

12. К. Smirnov, A. Korneev, O. Minaeva, A. Divochiy, M. Tarkhov, S. Ryabchun, V. Seleznev, N. Kaurova, B. Voronov, G. Gol'tsman, S.

Polonsky "Ultrathin NbN film superconducting single-photon detector array Journal of Physics: Conference Series, (2007), 61, 1081-1085; авторских 30%, 0.3 п.л.

13. W. Slysz, M. Wegrzecki, J. Bar, M. Gorska, V. Zwiller, C. Latta, P. Bohi, I. Milostnaya, O. Minaeva, A. Antipov, O. Okunev, A. Korneev, K, Smirnov, B. Voronov, N. Kaurova, G. Gol'tsman, A. Pearlman, A. Cross, I. Komissarov, A. Verevkin, R. Sobolewski, "Fiber-coupled single-photon detectors based on NbN superconducting nanostructures for practical quantum cryptography and photon-correlation studies Appl. Phys. Lett., (2006), 88, 261113; авторских 30%, 0.18 п.л.

14. I. Milostnaya, A. Korneev, I. Rubtsova, V. Seleznev, O. Minaeva. G. Chulkova, O. Okunev, B. Voronov, K. Smirnov, G. Gol'tsman, W. Slysz, M. Wegrzecki, M. Guziewicz, J. Bar, M. Gorska, A. Pearlman, J. Kitaygorsky, A. Cross and R. Sobolewski "Superconducting single-photon detectors designed for operation at 1.55-/Ш1 telecommunication wavelength "Journal of Physics: Conference Series, (2006), 43, 1334-1337; авторских 30%, 0.25 п.л.

15. A. Korneev, V. Matvienko, O. Minaeva, I. Milostnaya, I. Rubtsova, G. Chulkova, K. Smirnov, V. Voronov, G. Gol'tsman, W. Slysz, A. Pearlman, A. Verevkin, R. Sobolewski "Quantum efficiency and noise equivalent power of nanostructured NbN single-photon detectors in the wavelength range from visible to infrared IEEE Trans, on Appl. Supercond., (2005), vol.15, No.2, pp.571-574; авторских 30%, 0.25 п.л.

16. А. Корнеев, О. Минаева, И Рубцова, И Милостная, Г. Чулкова, Б. Воронов, К. Смирнов, В. Селезнев, Г. Гольцман, А. Перлман, В. Слыш, А. Кросс, П. Альварес, А. Веревкин, и Р. Соболевский "Сверхпроводящий однофотонный детектор на основе ультратонкой пленки NbN Квантовая электроника, (2005), 35(8) 698-700; авторских 40%, 0.18 п.л.

17. G. Gol'tsman, A. Korneev, I. Rubtsova, I. Milostnaya, G. Chulkova, O. Minaeva. K. Smirnov, B. Voronov, W. Slysz, A. Pearlman, A. Verevkin, R. Sobolewski, "Ultrafast superconducting single-photon detectors for near-infrared-wavelength quantum communications Phys. Stat. Sol., (2005), 2, No 5, p 1480-1488; авторских 30%, 0.5 п.л.

Патенты:

1. Патент на изобретение № 2300825 зарегистрирован 10.06.2007 приоритет от 21.12.2005, "Быстродействующий сверхпроводниковый однофотонный детектор авторы Гольцман Г.Н., Чулкова Г.М., Окунев О.В., Воронов Б.М., Каурова Н.С., Корнеев А.А., Антипов А.В., Минаева О .В.

2. Патент на изобретение № 2327253 зарегистрирован 20.06.2008, Заявка 15.08.2006 № 2006.129452 "Быстродействующий сверхпроводниковый однофотонный детектор с полосковыми резисторами" авторы Гольцман Г. Н., Чулкова Г. М., Окунев О. В., Мельников А. П., Воронов Б. М., Каурова Н. С. Корнеев А. А., Антипов А. В., Минаева О. В., Дивочий А. В.

Список докладов на конференциях:

1. Olga Minaeva, Cristian Bonato, Bahaa E. A. Saleh, Alexander V. Sergienko, "Odd- and Even-Order Dispersion Cancellation in Quantum Intreferometry", Frontiers in Optics 2008 OSA Annual Meeting, Rochester, NY, October 19-24 (2008).

2. Alexander Sergienko, Olga Minaeva, Cristian Bonato, Bahaa E. A. Saleh, Paolo Villoresi "Dispersion Cancellation and Manipulation in Quantum Interferometry", Frontiers in Optics 2008 OSA Annual Meeting, Rochester, NY, October 19-24 (2008).

3. Cristian Bonato, Olga Minaeva, Alexander V. Sergienko, Bahaa E. A. Saleh, Stefano Bonora, and Paolo Villoresi "Spatial and Spectral Phase Control in Quantum Interferometry", QCCQI 2008 Quantum/Classical Control in Quantum Information, Otranto, Italy, September 13-20 (2008).

4. A. Korneev, A. Divochiy, F. Marsili, D. Bitauld, A. Fiore, V. Seleznev, N. Kaurova, M. Tarkhov, O. Minaeva, G. Chulkova, K. Smirnov, A. Gaggero, R. Leoni, F. Mattioli, K. Lagoudakis, M. Benkahoul, F. Levy, and G. Goltsman "Superconducting Photon Number Resolving Counter for Near Infrared Applications", The 6th International Conference on Photonics, Devices and Systems, Prague, Czech Republic, 27-29 August, 2008.

5. G. Gol'tsman, A. Divochiy, M. Tarkhov, A. Korneev, O. Minaeva. I. Golenischeva, M. Elezov, K. Smirnov, Yu. Vachtomin, N. Kaurova, V. Seleznev, and B. Voronov, "Performance of ultrafast superconducting single photon detector with photon number resolving capability", 2008 Applied Superconductivity Conference, Chicago, Illinois USA, August 17 - 22, 2008.

6. A. Korneev, A. Divochiy, М. Tarkhov, О. Minaeva, G. Chulkova, and G. Gol'tsman "Ultrafast NbN photon number resolving superconducting detector", Advanced Research Workshop Fundamentals of electronic nanosystems, St. Petersburg, Russia, June 28 - July 4, 2008.

7. F. Marsili, D. Bitauld, A. Divochiy, A. Gaggero, R. Leoni, F. Mattioli, A. Korneev, V. Seleznev, N. Kaurova, O. Minaeva. G. Gol'tsman, K. G. Lagoudakis, M. Benkahoul, F. Levy, and A. Fiore, "Superconducting Nanowire Photon Number Resolving Detector at Telecom Wavelength", in Conference on Lasers and Electro-Optics/Quantum Electronics and Laser Science Conference and Photonic Applications Systems Technologies, San Jose, California, May 4, 2008.

8. O. Minaeva, A.V. Sergienko, G.N. Goltsman "High speed infrared photon counting with Superconducting Single-Photon Detectors (SSPD) for quantum communication", SPIE Defense and Security, 16 - 20 March 2008, Orlando, FL USA (invited).

9. Nishant Mohan, Olga Minaeva, Magued Nasr, Bahaa E. A. Saleh, Alexander V. Sergienko, and Malvin C. Teich, "Optical Coherence Domain Imaging Using Superconducting Single-Photon Detectors", SPIE Photonics West 2008, San Jose, California, January 19 - 24 (2008)'.

10. O. Minaeva. N. Mohan, M. Jaspan, A.V. Sergienko, M. C. Teich, В. E. A. Saleh and G.N. Goltsman "Biophotonics Application of Superconducting Single-Photon Detectors", Single-Photon Workshop 2007, 25th-28th September 2007, INRIM - Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica, Torino, Italy.

11. G. Goltsman, A. Korneev, A. Divochiy, M. Tarkhov, O. Minaeva, N.

Kaurova, V. Seleznev, К. Smirnov, В. Voronov, О. Okunev, I. Milostnaya, G. Chulkova, "Ultrafast Superconducting Single-Photon Detector", Single-Photon Workshop 2007, 25th-28th September 2007, INRIM - Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica, Torino, Italy.

12. O. Minaeva. N. Mohan, M. A. Jaspan, A. V. Sergienko, M. C. Teich, В. E. A. Saleh, G.N. Goltsman "Superconducting single-photon detectors for biophotonics applications", SPIE Optics East, 9-12 September 2007, Boston, MA USA.

13. A. Korneev, A. Divochiy, M. Tarkhov, O. Minaeva. V. Seleznev, N. Kaurova, B. Voronov, O. Okunev, G. Chulkova, I. Milostnaya, K. Smirnov and G. Gol'tsman "New advanced generation of superconducting NbN-nanowire single-photon detectors capable of photon number resolving", 8-th European Conference on Applied Superconductivity (EUCAS) 1620 September 2007 Brussels.

14. I. Milostnaya, A. Korneev, M. Tarkhov, A. Divochiy, O. Minaeva. N. Kaurova, В .Voronov, G. Chulkova, O. Okunev, and G. Gol'tsman J. Kitaygorsky, D. Pan, A. Cross, A. Pearlman, I. Komissarov, and R. Sobolewski "Superconducting single-photon detectors for advanced optical applications", 8-th European Conference on Applied Superconductivity (EUCAS) 16-20 September 2007 Brussels.

15. G. Gol'tsman, M. Tarkhov, A. Divochiy, O. Minaeva, A. Korneev, V. Seleznev, N. Kaurova, B. Voronov, O. Okunev, G. Chulkova, I. Milostnaya, K. Smirnov, "Middle-Infrared ultrafast superconducting single photon detector", 32nd International Conference on Infrared and Millimetre Waves and 15th International Conference on Terahertz Electronics, Cardiff, UK, September 2-7, 2007.

16. A. Korneev, О. Minaeva, A. Divochiy, A. Antipov, N. Kaurova, V. Seleznev, В. Voronov, G. Gol'tsman, D. Pan, J. Kitaygorsky, W. Slysz, R. Sobolewski, "Ultrafast and high quantum efficiency superconducting single-photon detector", SPIE Europe: International congress on Optics and Optoelectronics, 16-20 April 2007, Prague.

17. G.Chulkova, I.Milostnaya, M.Tarkhov, A.Korneev, O.Minaeva, B.Voronov, A.Divochiy, G.Gol'tsman, J. Kitaygorsky, D.Pan, R.Sobolewski, "Superconducting single-photon nanostructured detectors for advanced optical applications", 0pera-2015: Symposium on Photonics Technologies for the 7th Framework Programme, October 12, 2006, Wroclaw, Poland.

18. Smirnov K., Korneev A., Minaeva P., Divochij A., Rubtsova I., Antipov A., Ryabchun S., Okunev O., Milostnaya I., Chulkova G., Voronov В., Kaurova N., Seleznev V., Korotetskaya Yu., Gol'tsman G., "Superconducting Single-Photon Detector for Near- and Middle IR", 16-th International Conference "Microwave Sz Telecommunication Technology", September 11-15, 2006, Sevastopol, Ukraine.

19. G. Gol'tsman, A. Korneev, O. Minaeva, A. Antipov, A. Divochiy, N. Kaurova, B. Voronov, D. Pan, A. Cross, A. Pearlman, I. Komissarov, W. Slysz, and R. Sobolewski, "Middle-Infrared to visible-light ultrafast superconducting single-photon detector", presented at the ASC 2006, Applied Superconductivity Conference, August 27 - Sept. 01, 2006, Seattle, US.

20. K. Smirnov, A. Korneev, O. Minaeva, V. Seleznev, N. Kaurova, B. Voronov, G.N.Gol'tsman, S. Polonsky, "Ultrathin NbN film superconducting single-photon detector array", International Conference on Nanoscience and Technology, ICN&T 2006, July 30 - August 4, 2006, in Bazel, Switzerland.

21. M. Tarkhov, D. Morozov, P. Mauskopf, V. Seleznev, A. Korneev N. Kaurova, I. Rubtsova, O. Minaeva, B. Voronov, and G. Goltsman, "Single Photon counting detector for THz radioastronomy", the 17th International Symposium on Space Terahertz Technology, 10-12 May, 2006, Paris, France.

22. G. Chulkova, I. Milostnaya, A. Korneev, O. Minaeva, I. Rubtsova, B. Voronov, O. Okunev, K. Smirnov, G. Gol'tsman, J. Kitaygorsky, A. Cross, A. Pearlman, R. Sobolewski, W. Slysz "Superconducting nanostructures for counting of single photons in the infrared range", 2nd International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers, 12-17 September 2005, Yalta, Ukraine.

23. I. Milostnaya, A. Korneev, I. Rubtsova, V. Seleznev, O. Minaeva, G. Chulkova, O. Okunev, B. Voronov, K. Smirnov, G. Gol'tsman, W. Slysz, M. Wegrzecki, M. Guziewicz, J. Bar, M. Gorska, A. Pearlman, J. Kitaygorsky, A. Cross and Roman Sobolewski "Superconducting single-photon detectors designed for operation at 1.55-um telecommunication wavelength", 7th European Conference on Applied Superconductivity, 1115 September 2005, Vienna-Austria.

24. I. Milostnaya, A. Korneev, O. Minaeva, I. Rubtsova, S. Slepneva, V. Seleznev, G. Chulkova, O. Okunev, K. Smirnov, B. Voronov, and G. Gol'tsmanW. Slysz, J. Kitaygorsky, A. Cross, A. Pearlman, and Roman Sobolewski "Superconducting nanostructured detectors capable of single photon counting of mid-infrared optical radiation", SPIE International Congress on Optics and Optoelectronics, 28 August - 2 September, 2005,

Warsaw, Poland.

25. G. Gol'tsman, A. Korneev, O. Minaeva, I. Rubtsova, I. Milostnaya, G. Chulkova, B. Voronov, K. Smirnov, V. Seleznev, W. Slysz, J. Kitaygorsky, A. Cross, A. Pearlman, and Roman Sobolewski, "Superconducting nanostructured detectors capable of single-photon counting in the THz range", 16th international symposium on space terahertz technology ISSTT-2005, May 2-4, 2005, Goteborg, Sweden.

26. G. Goltsman, A. Korneev, O. Minaeva, I. Rubtsova, G. Chulkova, I. Milostnaya, K. Smirnov, B. Voronov, A. Lipatov, A. Pearlman, A. Cross, W. Slysz, A. Verevkin, and R. Sobolewski "Advanced nanostructured optical NbN single-photon detector operated at 2.0 K", SPIE Photonics West, 22-27 January 2005, San Jose, California USA.

27. Дивочий A.B., Слепнева С.К, Минаева О.В., Чулкова Г.М., Гольцман Г.Н. "Исследование чувствительности однофотонных сверхпроводниковых детекторов на основе тонких пленок NbN", Международная научно-техническая школа-конференция «Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию в электронике» «Молодые ученые - 2005», 26-30 сентября 2005, Москва, Россия

28. Минаева О.В., Корнеев А.А., Дивочий А.В. "Исследование зависимости квантовой эффективности однофотонных сверхпроводниковых детекторов от температуры", Международная научная конференция студентов, аспирантов, молодых ученых "Ломоносов - 2005", 12-16 апреля 2005 г., Москва, Россия.

29. Минаева О.В., Корнеев А.А., Рубцова И.А., Милостная И.И., Гольцман Г.Н., Липатов А.П. "Измерение квантовой эффективности однофотонных сверхпроводниковых детекторов на основе тонких пленок NbN при низких температурах", 11-ая Всероссийская Научная Конференция Студентов-Физиков и Молодых Ученых, 24-30 марта 2005г., Екатеринбург, Россия.

30. Рубцова И.А., Корнеев А.А., Матвиенко В.М. Минаева О.В. Милост-ная И.И., Чулкова Г.М., Гольцман Г.Н., Веревкин А.А., Соболевский Р, "Спектральная чувствительность однофотонного инфракрасного детектора на основе тонких пленок NbN", представлена на международной конференции "Пленки-2004", 7-10 сентября 2004, Москва, Россия.

1. Non-invasive CMOS circuit testing with NbN superconducting single-photon detectors / J. Zhang, N. Boiadjieva, G. Chulkova, H. Deslandes, G. Gol'tsman, A. Korneev, P. Kouminov, M. Leibowitz et al. // Elect. Lett. - 2003. - Vol. 39. - Pp. 1086—1088.

2. New photon detector for device analysis: Superconducting single-photon detector based on a hot electron effect / S. Somani, S. Kasapi, K. Wilsher, W. Lo, R. Sobolewski, G. Gol'tsman // J. Vac. Sci. Technol. B. 2001. -Vol. 19, no. 6. - Pp. 2766-2769.

3. Optical coherence tomography principles and applications / A. F. Fercher, W. Drexler, С. K. Hitzenberger, T. Lasser // Rep. Prog. Phys.— 2003.— Vol. 66. - Pp. 239-303.

4. Quantum Optical Coherence Tomography with dispersion cancellation / A. Abouraddy, M. B. Nasr, В. E. A. Saleh, A. V. Sergienko, M. C. Teich // Phys. Rev. A. 2002. - Vol. 65. - P. 053817.

5. Окунев О. Эффект однофотонного детектирования оптического и ИК излучений в тонких сверхпроводящих NbN плёнках: Ph.D. thesis / Московский педагогический государственный университет. — 2004.

6. Корнеев А. Квантовая эффективность и темновой счет NbN сверхпроводникового инфракрасного однофотонного детектора: Ph.D. thesis / Московский педагогический государственный университет. — 2006.

7. Прибор для диагностики устройств микро- и наносистемной техники на основе однофотонного пикосекундного детектора ИК-излучения /

8. Г. Гольцман, О. Окунев, Г. Чулкова, А. Липатов, А. Корнеев, П. Куминов, А. Веревкин, Р. Соболевский и др. // Известия Вузов.Электроника. — 2003. — Т. 1. — С. 42-48.

9. Бурсиан Э. Физические приборы, — М.: Просвещение, 1984.

10. Saleh В. Е., Teich М. С. Fundamentals of Photonics. Wiley, 1991.

11. Викулин Я., Стафеев В. Физика полупроводниковых приборов. — М. Сов.радио, 1980.

12. Криксунов Л. Справочник по основам инфракрасной техники. — М.: Советское радио, 1978.

13. Detection of single infrared, optical, and ultraviolet photons using superconducting transition edge sensors / B. Cabrera, R. M. Clarke, P. Colling, A. J. Miller, S. Nam, R. W. Romani // Appl. Phys. Lett.— 1998. Vol. 73. - Pp. 735-737.

14. Demonstration of a low-noise near-infrared photon counter with multiphoton discrimination / A. Miller, S. Nam, J. Martinis, A. Sergienko // Appl. Phys. Lett. 2003. - Vol. 83. - P. 791.

15. Near-unity absorption of near-infrared light in tungsten film / D. Rosenberg, S. W. Nam, A. J. Miller, A. Salminen, E. Grossman, R. E. Schwall, J. M. Martinis // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. — 2004. Vol. 520. - Pp. 537-540.

16. Semenov A., Gol'tsman G., Korneev A. Quantum detection by current carrying superconducting film // Physica C.— 2001.— Vol. 352.— Pp. 349-356.

17. Performance of InGaAsP/InP avalanche photodiodes as gated-mode photon counter / G. Ribordy, J. D. Gautier, H. Zbinden, N. Gisin // Appl. Opt. 1998. - Vol. 37. - P. 2272.

18. Bethune D., Navarro M., Risk W. // Appl. Opt.- 2002,- Vol. 41,— P. 1640.

19. NIR (Near Infrared: 1.4 цт / 1.7 fj,m Photomultiplier Tubes, R5509-43/R5509-73. — Hamamatsu Photonics K.K., Electron Tube Center, Japan (February 2003) http://www.hpk.co.jp/eng/products/ETD/pmteД5509-43e.htm.

20. Skospol W., Beasley M., Tinkham M. Self-heated hot-spot in superconducting thin-film microbridges // J.Appl.Phys. — 1974. — Vol. 45, no. 9. — Pp. 4045-4066.

21. Разрушение и восстановление сверхпроводящего состояния в пленках ниобия при воздействии импульсов транспортного тока / О. Вендик, А. Зайончковский, С. Колесов, С. Красиков, О. Пахомов, А. Рубан // ФНТ. 1986. - Vol. 12, по. 6. - Pp. 576-583.

22. Луцет М. Динамика разрушения и восстановления S-состояния короткого образца пленки ВТСП с током // Письма в ЖТФ.— 1994.— Vol. 20, по. 18. Pp. 7-10.

23. Бузников Н., Пухов А. Распространение межфазной NS-граиицы по высокотемпературной сверхпроводящей пленке // Письма в ЖТФ. — 1996. Vol. 22, по. 12. - Pp. 45-49.

24. Skospol W., Beasley M., Tinkham M. The electrical behaviour of superconductivity thin-film microbridges // Rev.Phys.AppL— 1974.— Vol. 9, no. 1. Pp. 19-29.

25. Милостная И. Переключение тонких пленок NbN и YBaCuO импульсами тока и лазерного излучения: Ph.D. thesis / Московский педагогический государственный университет. — 1999.

26. Skospol W., Beasley М., Tinkham М. Phase-slip centers and nonequilibrium processes in superconducting tin microbridges / / J.Low Temp. Phys.- 1974,-Vol. 16, no. 1/2.- Pp. 145-167.

27. Self-heating of Phase-Slip Centers / M. Stuivinga, T. Klapwijk, J. Mooij, A. Bezuijen // J. Low Temp. Phys. — 1983. — Vol. 53, no. 5/6. Pp. 673683.

28. Kadin A., Skospol W., Tinkham M. Magnentic Field Dependence of Relaxation Times in Nonequilibrium Superconductors // J. Low Temp. Phys. 1978. - Vol. 33, no. 5/6. - Pp. 481-503.

29. Frenkel A. Mechanism of nonequilibrium optical response of high-temperature superconductors // Phys.Rev.В. — 1993. —Vol. 48, no. 13.— Pp. 9717-9725.

30. Halperin В., Nelson D. Resistive Transition in Superconducting Films // J. Low Temp. Phys.- 1979.-Vol. 36.-Pp. 599-616.

31. Hsu J., Kapitulnik A. Superconducting transition, fluctuation, and vortex motion in a two-dimensional singl-crystal Nb film // Phys. Rev. B. — 1992. Vol. 45. - Pp. 4819-4835.

32. Photofluxonic detection: A new mechanism for infrared detection in superconducting thin films / A. Kadin, M. Leung, A. Smith, J. Murduck // Appl.Phys.Lett. 1990. - Vol. 57, no. 26. - Pp. 2847-2849.

33. Электрон-фоноппое взаимодействие в ультратонких пленках ниобия / Е. Гершензон, М. Гершензон, Г. Гольцман, А. Люлькин, А. Семенов,

34. A. Сергеев // ЖЭТФ. 1990. - Т. 97, № 3. - С. 901-911.

35. Неравновесный отклик тонких пленок нитрида ниобия на излучение миллиметрового и оптического диапазонов / Е. Гершензон, Г. Гольцман, Ю. Гусев, А. Семенов // Сверхпроводимость: физика, химия, техника. 1993. — Vol. 6, по. 6. — Pp. 1198-1210.

36. Ultrafast superconducting single-photon detectors for near-infrared-wavelength quantum communications / G. Gol'tsman, A. Korneev, I. Rubtsova, I. Milostnaya, G. Chulkova, O. Minaeva, K. Smirnov,

37. B. Voronov et al. // Physica Status Solidi.— 2005.— Vol. 2, no. 5.— Pp. 1480-1488.

38. Шмидт В. Введение в физику сверхпроводников.— М.: МЦНМО, 2000.

39. Kinetic-Inductance-Limited Reset Time of Superconducting Nanowire Photon Counters / A. Kerman, E. Dauler, W. Keicher, J. Yang, K. Berggren, G. Gol'tsman, B. Voronov // Appl. Phys. Lett. — 2006.— Vol. 88,- P. 111-116.

40. Ultrafast Superconducting Single-Photon Optical Detectors and Their Applications / R. Sobolewski, A. Verevkin, G. Gol'tsman, A. Lipatov, K. Wilsher // IEEE Transactions On Applied Superconductivity. — 2003. June. - Vol. 13, no. 2. - Pp. 1151-1157.

41. Kadin A. Introduction to superconducting circuits. — Wiley, 1999.

42. Чередниченко С. Разработка и исследование сверхпроводниковых те-рагерцовых смесителей на электронном разогреве: Ph.D. thesis / Московский педагогический государственный университет. — 1999.

43. Ultrafast reset time of Superconducting Single Photon Detectors / M. Tarkhov, J. Claudon, J. P. Poizat, A. Korneev, A. Divochiy, О. M. et al. // Appl. Phys. Lett. 2008. - Vol. 92. - P. 241112.

44. Fabrication of Nanostructured Superconducting Single-Photon Detectors / G. Gol'tsman, K. Smirnov, P. Kouminov, B. Voronov, N. Kaurova, V. Drakinsky, J. Zhang, A. Verevkin, R. Sobolewski // IEEE Transactions

45. On Applied Superconductivity. — 2003. — June. — Vol. 13, no. 2. — Pp. 192— 195.

46. Time Delay of the Resistive State Formation in Superconducting NbN Stripes Illuminated by Single Optical Photons / J. Zhang, W. Slysz, A. Verevkin, R. Sobolewski, O. Okunev, G. Gol'tsman // Phys. Rev. B. — 2003. Vol. 67, no. 13. - Pp. 132508-1-4.

47. Fast lifetime measurements of infrared emitters using a low-jitter superconducting single photon detector / M. J. Stevens, R. H. Hadfield, R. E. Schwall, S. W. Nam, R. P. Mirin, J. A. Gupta // Applied physics letters. — 2006.

48. Quantum Dot Single Photon Sources Studied with Superconducting Single Photon Detectors / M. J. Stevens, R. H. Hadfield, R. E. Schwall, S. W. Nam, R. P. Mirin // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. — 2006.

49. Single photon source characterization with a superconducting single photon detector / R. H. Hadfield, M. J. Stevens, S. G. Gruber, A. J. Miller, R. E. Schwall, R. P. Mirin, S. W. Nam // Optics Express. 2005.

50. Quantum key distribution over 40 dB channel loss using superconducting single photon detectors / H. Takesue, S. W. Nam, Q. Zhang, R. H. Hadfield, T. Honjo, K. Tamaki, Y. Yamamoto // Nature Photonics. — 2007.

51. Quantum key distribution at 1550 nm with twin superconducting single-photon detectors / R. H. Hadfield, J. L. Habif, J. Schlafer, R. E. Schwall, S. W. Nam // Applied physics letters2006.— Vol. 89, no. 241129.— Pp. 537-540.

52. Kash J., Tsang J.-H. Noninvasive optical method for measuring internal switching and other dynamic parameters of CMOS circuits. — USA, International Business Machines Corporation. US Patent #5,940,545. — 1999.

53. In vivo cellular optical coherence tomography imaging / S. A. Boppart, В. E. Bouma, C. Pitris, J. F. Southern, M. E. Brezinski, J. G. Fujimoto // Nature Med. 1998. - Vol. 4. - Pp. 861-865.

54. Optical biopsy and imaging using optical coherence tomography / J. G. Fujimoto, M. E. Brezinski, G. J. Tearney, S. A. Boppart, B. Bouma, M. R. Нее, J. F. Southern, E. A. Swanson // Nat. Med. 1995. - Vol. 1. -Pp. 970-972.

55. Ultrahigh-resolution optical coherence tomography by broadband continuum generation from a photonic crystal fiber / Y. Wang, Y. Zhao, J. S. Nelson, , Z. Chen // Opt. Lett. 2003. - Vol. 28.- Pp. 182-184.

56. Drexler W. Ultra-high resolution optical coherence tomography // J. Biomed. Opt. 2004. - Vol. 9. - Pp. 47-74.

57. Superconducting Single Photon Nanowire Detectors Development for IR and THz Applications / I. Milostnaya, A. Korneev, M. Tarkhov, A. Divochiy, O. Minaeva, V. Seleznev, N. Kaurova, B. Voronov et al. // J. Low Temp. Phys. 2008. - Vol. 151,- Pp. 591-596.

58. Hong С. K.7 Mandel L. Theory of parametric frequency downconversion of light // Phys. Rev. A. 1985. - Vol. 31. - P. 2409.

59. Rubin M. H. Transverse correlations in optical spontaneous parametric down-conversion // Phys. Rev. A. — 1996. — Vol. 54. — P. 5349.

60. Franson J. D. Nonlocal cancellation of dispersion // Phys. Rev. A.— 1992. Vol. 45. - Pp. 3126-3132.

61. Steinberg A. M., Kwiat P. G., Chiao R. Y. Dispersion cancellation and high-resolution time measurements in a fourth-order optical interferometer // Phys. Rev. A. — 1992. — Vol. 45. — P. 6659.

62. Steinberg A. M., Kwiat P. G., Chiao R. Y. Dispersion cancellation in a measurement of the single-photon propagation velocity in glass // Phys. Rev. Lett. 1992. - Vol. 68. - P. 2421.

63. Demonstration of dispersion-cancelled quantum optical coherence tomography / M. B. Nasr, В. E. A. Saleh, A. V. Sergienko, M. C. Teich // Phys. Rev. Lett. 2003. - Vol. 91. - P. 083601.

64. Hong С. K., Ou Z. Y., Mandel L. Measurement of subpicosecond time interval between two photons by interference // Phys. Rev. Lett. — 1987. — Vol. 59. P. 2044.

65. Mandel L., Wolf E. Optical Coherence and Quantum Optics. — Cambridge University Press, 1995. — September.

66. Клышко Д. H., Ленин А. Н. Перспективы квантовой фотометрии // Успехи Физических Наук. — 1987. — Т. 152, № 4. — С. 653-665.

67. Denk W., Strickler J. Н., Webb W. W. Two-photon laserscanning fluorescence microscopy // Science. — 1990. — Vol. 248. — P. 73-76.

68. Patterson G. H., Piston D. W. Photobleaching in two-photon excitation microscopy // Biophys. J. — 2000. — Vol. 78. Pp. 2159-2162.

69. O'Connor D., D.Phillips. Time-Correlated Single Photon Counting.— Academic, London, 1984.

70. Handbook of Biological Confocal Microscopy, 3rd ed. / Ed. by P. J.B. — Berlin: Springer, 2006.

71. PicoHarp 300 (manual)PicoQuant GmbH, Berlin, 2006.