Experimenteller Aufbau

In diesem Abschnitt wird zunächst der Versuchsaufbau vorgestellt. Danach erfolgt eine detaillierte Beschreibung des verwendeten Tieftemperaturaufbaus, in dem die SNSPDs installiert und gemessen wurden. Weiterhin werden, der typische Verlauf eines mit diesem Aufbaus gemessenen Photonen- und Dunkelpulses gezeigt und verglichen.

Abschließend wird die Messung der PZR und DZR, die zur Bestimmung der IDE nötig ist, erläutert.

3.2.1 Versuchsaufbau

Abbildung 3-1: Experimenteller Aufbau zur Messung der spektralen IDE. Eine detaillierte Beschreibung befindet sich im Text.

Im Folgenden wird der in Abbildung 3-1 dargestellte experimentelle Aufbau zur Messung der spektralen IDE vorgestellt. Zur Beleuchtung des Detektors dient eine breitbandig emittierende Halogenlampe, der ein Prismen-Monochromator

(Carl-Zeiss / SPM-2) nachgestellt ist, um Wellenlängen in einem Bereich von 400 nm – 2500 nm auszuwählen. Der aus dem Monochromator austretende divergente Strahl wird durch einen Parabolspiegel um 90° umgelenkt, fokussiert und auf den sich im Kryostaten befindenden Detektor abgebildet. Dabei tritt das Licht durch zwei Fenster in den Kryostaten ein und trifft frontal auf der Vorderseite des Mäanders auf. Der Abstand zwischen Spiegel und Detektor wurde so gewählt, dass der Lichtstrahl am Ort des Mäanders die wenige µm² großen Objekte homogen beleuchtet. Zusätzlich wurde ein Polarisator in den Strahlengang eingebracht, um das Licht parallel zu den Mäanderlinien zu polarisieren, da dadurch die Absorption der supraleitenden Struktur gesteigert werden kann [26].

Zur Spannungsspeisung des Detektors wurde eine am DLR entwickelte batteriebetriebene Quelle verwendet, die sehr geringe Störungen aufweist. Die Versorgungsgleichspannung wird durch die Spule eines Raumtemperatur Bias-Tees und eine elektrische Durchführung auf das im Kryostat angebrachte Tieftemperatur SMA-Koaxialkabel übertragen. Von diesem wird die Spannung über einen Detektorhalter (siehe Abschnitt 3.2.2) auf den Mäander übertragen. Spannungspulse, die durch absorbierte Photonen oder Rauschen im Mäander erzeugt werden, gelangen durch das Koaxialkabel aus dem Kryostat auf die Kondensatorseite des Bias-Tees. Von dort werden die Pulse über ein Hochfrequenz-SMA-Kabel auf zwei hintereinander geschaltete Mikrowellenverstärker (MITEQ / AMF-4F-00100400-10-10P und End-wave / JCA0018-502) mit einer Verstärkung von +45 dB bzw. +36 dB übertragen. Um Reflektionen zwischen den Verstärkern zu unterdrücken und das Ausbilden einer stehenden Welle zu vermeiden, wurde ein Dämpfungsglied von -20 dB an diese Stelle eingebaut. Die Gesamtverstärkung dieser Verstärkereinheit beträgt +61 dB bei einer Bandbreite von 0,1 - 6 GHz. Nach der Verstärkung werden die Pulse über ein weiteres Hochfrequenzkabel an einen Pulszähler (Stanford Research / SR 400) mit einer Bandbreite von 200 MHz oder ein Oszilloskop (LeCroy / Wavemaster 8600A) mit einer Bandbreite von 6 GHz weitergeleitet.

3.2.2 Details zum Tieftemperaturaufbau

Abbildung 3-2: a) Geöffneter Badkryostat mit Blick auf die Kaltplatte und den darauf installierten Tieftemperaturaufbau. b) Frontalansicht des Detektorblocks mit Leiterplatte, Wellenleiter, Temperatursensor, SMA-Anschluss und SNSPD. c) Detailansicht des mit Bonddrähten verbundenen SNSPDs.

Um die supraleitenden Detektoren unter die Sprungtemperatur zu kühlen, werden sie in der Vakuumkammer eines kommerziellen ⁴He-Badkryostaten installiert (Infrared Laboratories / HDL5). Der Kryostat besteht im Wesentlichen aus einem Stickstoff-Gefäß, einem Stickstoff-Schild, einem Helium-Gefäß sowie einer Vakuum-Kammer.

Auf der Unterseite des Heliumgefäßes befindet sich eine Kupferkaltplatte, die für experimentelle Aufbauten verwendet werden kann. Die Ansicht des geöffneten Kryostaten mit Blick auf die Kaltplatte und den verwendeten Tieftemperaturaufbau zeigt Abbildung 3-2a). Um den Detektor beleuchten zu können, ist der Kryostat mit zwei zueinander parallelen SiO2-Fenstern ausgestattet, wobei sich das eine auf der Außenwand und das andere auf dem Stickstoff-Schild befindet. Um das Eindringen von Streulicht zu reduzieren und die Einkopplung der Wärmestrahlung des äußeren Fensters weitgehend zu blockieren, wurde eine 2 mm-Lochblende (aus Metallfolie) auf das innen liegende Fenster aufgebracht. Der Tieftemperaturaufbau besteht weiterhin aus einem

Koaxialkabel und einem aus Kupfer gefertigten Detektorhalter, der auf der Kupferkaltplatte vor den Fenstern mit Schrauben montiert ist. Um eine möglichst schlechte Wärmeleitung der elektronischen Verbindung zwischen der Vakuum-durchführung (300 K) und dem Detektorhalter (4,5 K) zu erreichen wurde ein etwa 60 cm langes Koaxialkabel mit Kupfer-Beryllium-Kern (CuBe) verwendet. Eine gute thermische Kopplung zwischen Detektorhalter und Kupferplatte ist sehr wichtig, da die Effizienz des SNSPDs mit sinkender Temperatur zunimmt [16]. Daher wurden die verwendeten Edelstahlschrauben mit Federringen versehen, um die unterschiedliche Kontraktion der Materialien beim Abkühlen von 300 K auf 4,5 K auszugleichen. Die Frontalansicht des Detektorhalters ist in Abbildung 3-2b) dargestellt. Dieser verfügt über eine Leiterplatte mit einem 50 Ω angepassten Wellenleiter, einen SMA-Anschluss sowie einen Temperatursensor. Der Detektor selbst ist in eine Aussparung in der Leiterplatte auf den Probenhalter geklebt. Der elektrische Kontakt zwischen Mäander und Wellenleiter wurde durch Bonddrähte hergestellt (siehe Abbildung 3-2c)).

3.2.3 Typischer Verlauf eines Photonenpulses

Abbildung 3-3 zeigt die Oszilloskopaufnahme eines typischen Spannungspulses, der durch die Absorption eines Photons mit der Wellenlänge von 1300 nm im SNSPD bei einem relativen Biasstrom von 80 % des experimentellen kritischen Stromes und einer Temperatur von 4,5 K ausgelöst wurde. Die Spannung steigt innerhalb von etwa 400 ps von ca. 0 V auf den Spitzenwert von 268 mV an und fällt dann mit einer Zeitkonstante von etwa 1,4 ns ab. Dieser Spannungsverlauf entspricht in etwa dem Signal, das man durch das Ersatzschaltbild des SNSPDs erhält (siehe Abschnitt 2.3.1). Das negative Überschwingen des Signals mit einem Spitzenwert bei etwa 5 ns kommt durch den Bandpass der verwendeten Verstärkerelektronik zustande. In der eingebetteten Abbildung 3-3 sind zwei überlagerte Spannungspulse unter gleichen Aufnahme-bedingungen dargestellt. Der zeitliche Versatz der ansteigenden Flanke liegt im Bereich weniger ps und der Unterschied in der Pulsamplitude liegt bei wenigen Prozent.

Folglich sind Spannungspulse, die durch Photonen im SNSPD bei gleichem Biasstrom

erzeugt wurden, reproduzierbar und quasi identisch. Eine Änderung des Biasstroms führt zu einer proportionalen Änderung der Amplitude des Spannungspulses.

Abbildung 3-3: Typischer Spannungspuls, ausgelöst durch die Absorption eines Photons mit der Wellenlänge von 1300 nm im SNSPD bei einem relativen Biasstrom von 80 % des kritischen Stromes und einer Temperatur von 4,5 K. Die eingebettete Abbildung zeigt zwei durch Photonen ausgelöste Spannungspulse bei gleichen Bedingungen.

3.2.4 Vergleich von Photonen- und Dunkelpuls

Um die Spannungspulse, die durch ein Photon und ein Dunkelereignis ausgelöst werden zu vergleichen, wurde ein relativer Biasstrom von 80 % des experimentellen kritischen Stromes und eine Temperatur von 4,5 K an den Mäander angelegt. Bei diesem Biasstrom betrug die Anzahl der Photonenpulse etwa 10⁴/s, während die Anzahl der Dunkelpulse 10^-1/s betrug. Bei der Messung der Dunkelpulse wurde das Fenster des Kryostaten mit einem Absorber verschlossen. Eine Mittelung über jeweils hundert Pulse und deren Vergleich ergab, dass die Pulsformen von Photonen- und Dunkelpulsen ununterscheidbar sind. Abbildung 3-4 zeigt die Aufnahme eines durch ein Photon erzeugten Spannungspulses (gleicher Puls wie in Abbildung 3-3) und eines

Dunkel--10 0 10 20 30 40 50

-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3

Spannung (V)

Zeit (ns)

-2 -1 0 1 2 3

0,0 0,1 0,2

Puls 1 Puls 2

Spannung (V)

Zeit (ns)

pulses. In der eingebetteten Abbildung ist die Differenz beider Spannungspulse dargestellt. Diese weißt keine deutliche Abweichung vom Rauschniveau auf. Die Zeiträume des Entstehungsprozesses des normalleitenden Bereichs im SNSPD im Falle der intrinsischen Fluktuation und im Falle eines absorbierten Photons liegen jeweils bei wenigen ps (siehe Abschnitte 2.5.1 und 2.5.2). Diese Zeit bestimmt die ansteigende Flanke des Spannungspulses. Die abfallende Flanke wird durch die kinetische Induktivität bestimmt und ist im Bereich weniger ns (siehe Abschnitt 2.3.1). Die Ununterscheidbarkeit der Spannungspulse ist daher durch die verwendete Elektronik (6 GHz) bedingt.

Abbildung 3-4: Vergleich zweier Spannungspulse, wobei einer durch die Absorption eines Photons und der andere durch eine spontane intrinsische Fluktuation (Dunkelpuls) ausgelöst wurde. Die eingebettete Abbildung zeigt die Differenz des Photonen- und des Dunkelpulses.

3.2.5 Photonen- und Dunkelzählraten

Die durch absorbierte Photonen oder intrinsische Fluktuationen ausgelösten Spannungs-pulse pro Zeitintervall werden mit dem Pulszähler aufgenommen. In diesem lässt sich ein internes Diskriminatorlevel Udisk einstellen, sodass ein Puls als Ereignis gezählt

-5 0 5 10 15 20

-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3

-5 0 5 10 15

-0,2 -0,1 0,0 0,1

Spannung (V)

Zeit (ns)

Photonenpuls Dunkelpuls

Spannung (V)

Zeit (ns)

wird, sobald dessen steigende Flanke Udisk überschreitet. Abbildung 3-5 zeigt die Anzahl der gemessenen Pulse eines mit dem Licht einer willkürlichen Wellenlänge beleuchteten SNSPDs in Abhängigkeit des eingestellten Diskriminatorlevels. Für niedrige Udisk

zwischen 0 mV und etwa 5 mV führt das überlagerte Rauschen der Spannungspulse zu sehr hohen Zählraten. Mit zunehmendem Diskriminatorlevel bildet sich ein Plateau aus, was der durch das Rauschen nicht beeinflussten Anzahl der Spannungspulse pro Sekunde entspricht. Höhe und Breite des Plateaus werden durch die Pulsamplitude und die Zählrate und somit vom Biasstrom beeinflusst. Für geringere Ströme verschiebt sich das Plateau zu kleineren Zählraten und endet bei einem kleineren Diskriminatorlevel.

Der Übergang der Zählraten vom Wert des Plateaus zu einem Wert von 0/s ist nicht scharf, was der Amplitudenverteilung der Spannungspulse entspricht. Für die Messungen der PZRs wurde für jeden in dieser Arbeit untersuchten SNSPD individuell die Abhängigkeit der Zählrate vom Diskriminatorlevel bestimmt und ein Wert in der Mitte des Plateaus ausgewählt.

Abbildung 3-5: Typische Abhängigkeit der Zählrate vom Diskriminatorlevel Udisk des Pulszählers.

Für die Messung der PZR verschiedener Beleuchtungswellenlängen wird ein Wert des Diskriminatorlevels in der Mitte des Plateaus gewählt.

0 5 10 15 20 25 30 35 40

10⁰ 10¹ 10² 10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶

Zählrate (s-1 )

Diskriminatorlevel (mV)