摘要：我们设计了包含SPC-150NX和SCONTEL超导NbN探测器的超快TCSPC系统。这个系统的仪器响应函数（instrument response function，IRF）的半峰宽（full width at half maximum，FWHM）为17.8 ps。单光子定时抖动的RMS值为7.9 ps。
探测器
超导单光子探测器（SSPDs）包含一片超薄的带状纳米超导薄膜，通常包含弯折。在光学探测器的操作过程中，超导薄膜由直流电偏置决定临界值。吸收光子会导致准粒子处于非平衡浓度区域的形成。电流密度超过临界水平，在整个纳米薄膜上形成一个非超导区。这样形成的电压脉冲标志了光子。超导NbN探测器具有极短的时间抖动，而且在可见到中红外的区域内都非常灵敏。而且探测器的暗计数非常低，一般而言低于1个/秒，没有后脉冲效应。探测器的有效感应范围是10平方微米。
SCONTEL SSPD检测系统可以用一个液态-He制冷系统或者与图1左图一样的封闭的循环冷却系统。这两个有略微区别的系统光谱灵敏度差异表示在图1右图中。

图 1：左：SCONTEL的NbN超导探测器，放大器，控制器单元和封闭式循环冷却系统。右：光谱灵敏度曲线。
实验装置
本实验中我们使用了SCONTEL TCORPS-UF-10超导NbN检测器，冷却系统包括液态-He制冷系统和封闭的循环冷却系统。测试光源是AVESTA的EFO-80激光。激光的波长为1560纳米，脉冲重复率为50 MHz，可以输出脉冲宽度为1 ps和300 fs的激光。脉冲宽度为1ps的激光通过一个快速光电二极管产生同步信号，300 fs的激光由F2A FHA2系列光纤衰减器负增益之后耦合进探测器。整个系统的连接光纤都是单模的。
试验中我们使用标准的低噪扩增带宽射频放大器增益来自探测器的单光子响应脉冲，增益幅度为40dB（100倍），脉冲的幅度增益到200mV。经过增益的脉冲输入到BH SPC-150NX TCSPC计数系统。和常见的SPC-150相比，SPC-150NX的鉴别带宽提高了4倍，TAC速度加快了2倍。最小的时间通道宽度为405 fs，电子IRF半峰宽为3.6 ps。试验中使用的计数范围为100 kHz到2 MHz。
结果
图2中是整个系统（包括激光、光纤、探测器、参比光电二极管和TCSPC系统）的仪器响应函数。IRF的半峰宽是17.8 ps。

图 2：探测器-TCSPC系统的仪器响应函数。左图：线性刻度。右图：对数刻度。这两个都是由BH SPC-150NX TCSPC模块记录的，每个通道的时间为405 fs。
从图2右侧可以看到，IRF有峰值2%左右的尾幅值和大约150 ps的持续时间。目前还不清楚这是由于探测器本身的原因，还是激光脉冲形状本身如此，抑或光纤的色散效应。对于计数大于1%峰值的通道而言，计算得到的有效的传输时间抖动RMS值为7.9 ps。
探测器-TCSPC系统的时间稳定性也非常出色。图3左侧显示了有5分钟间隔的两个波形（红与蓝），可以看到这两个波形基本上难以分辨。为了对比，图3右侧显示了两个光纤长度差为30 mm的波形差异。

图3，左，五分钟之内采集到的两个波形（红与蓝），时间差异小于1ps，右，光纤长度差为30 mm的两个波形。
讨论
科研工作者已经发表了很多有关NbN探测器-TCSPC系统的时间分辨率结果。Hadfield (2008)报道的IRF半峰宽是68 ps。Rosenberg等人(2013)报道的时间分辨率为60~80 ps，但是没有报道光学系统和TCSPC系统。Pernice等人(2012)用19 ps时间抖动的TCSPC系统达到了50 ps的半峰宽。Liu等人(2014)用探测器前的多模光纤得到了75.7 ps的IRF半峰宽，而用单模光纤得到的IRF半峰宽为52.2 ps。
厂家提供的单量子NbN探测器(The Netherlands)的IRF半峰宽为75 ps，而传送到bh SPC-150系统的半峰宽为48 ps。但是我们无法得到测试激光（带有声光调制器的超连续激光）的精确脉冲宽度。我们估计激光脉冲为40 ps，可以得到探测器的25 ps估计值。
Toussaint等人(2012)报道了35 ps的IRF半峰宽，他们使用的探测器是德国的Karlsruhe Institute of Technology制造的。之后的实验结果提高到了22.2 ps。根据这些数据，他们估计探测器的时间抖动半峰宽是19.8 ps。
超快采样示波器也可以用来检测SSPD 探测器的时间抖动结果。Verevkin等人(2004)用50 GHz采样率的示波器得到了18 ps的半峰宽。在一系列类似的试验中，Pernice等人(2012)得到了18 ps的半峰宽，Schuck等人(2013)得到了18.4 ps的半峰宽，Tarkhov等人(2008)得到了16 ps的半峰宽。需要指出的是，这些测得的半峰宽都只是探测器的半峰宽，并不是系统和探测器联用的半峰宽。此外的不同还包括示波器是通过后续脉冲的记录来计算中心值的，然后根据这些值得到了直方图。而实际上TCSPC系统在探测器的脉冲边缘就已经触发了。高频噪声会导致中心值平均会在噪声之外，但是边缘触发不会。以目前的文献报道而言，17.8 ps的半峰宽是TCSPC-探测器联用系统的世界最快纪录。
目前的问题是17.8 ps的记录能不能进一步改进。从理论上考虑，准粒子雪崩的定时抖动半峰宽应该远小于10 ps。TCSPC模块的电响应（无噪声脉冲）小于4 ps。因此我们认为响应时间最大的不确定因素应该来自于电噪声。但是试验中采用具有低噪声系数的前置放大器没有改变显著的改变这种情况。好的放大器的噪声指数小于2dB。这表明输入参考噪声仅仅比50欧姆输入匹配电阻的热噪声高出25%。换句话说，大部分的噪声的来自电阻。减少电阻噪声的唯一办法就是冷却，电阻噪声可随温度的平方根减小。因此用液氮（70K）冷却可以减少来自这两个因素的噪音。通常情况下，我们会冷却整个放大器，因为匹配电阻是放大器芯片的一部分。这意味着只有基于MESFET的放大器可以使用，因为双极晶体管无法在70 K温度下工作。
另一种提高分辨率的方法是增加检测器本身的单光子脉冲的幅度。然而，这无法通过简单地增加探测器的偏置电流来达到。因为当偏置电流超过一定水平时，暗计数急剧上升，同时在较高电流时也不能实现超导。可能通过改进改性探测器设计提高振幅，但是目前还没有实例。
References
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（翻译：北京鼎信优威光子科技有限公司     汪阳博士）