一种光子数目和能量可分辨的超导微波动态电感探测器制造技术

本发明专利技术公开了一种光子数目和能量可分辨的超导微波动态电感探测器，核心部分为集总结构的超导谐振器，包括用于抑制衬底中二能级杂质噪声的交指电容和作为光吸收区域的电感条；电感条嵌设于交指电容上，并与交指电容并联；电感条的材质为TiN薄膜，其超导转变温度为0.9K，厚度为20nm，面积为10μm×10μm；交指电容的材质为Al薄膜，其超导转变温度为1.2K，厚度为200nm，线宽为5μm，面积为0.6mm×0.6mm；电感条下方的Si衬底呈悬浮状态，Si衬底的厚度为10μm；在TiN薄膜的上表面均匀镀一层特定厚度的增透膜，在其下方均匀镀一层金属增反膜。

【技术实现步骤摘要】
一种光子数目和能量可分辨的超导微波动态电感探测器
本专利技术属于超导单光子探测器的
，具体涉及一种光子数目和能量可分辨的超导微波动态电感探测器。
技术介绍
近年来光量子信息技术迅速发展，信息的基本载体是不易受到干扰的单个光子，为了准确读出光子信息就需要工作在通信波段(近红外波段)的单光子探测器。多数类型的单光子探测器对一个光子或多光子会产生相同的响应，只能区分无光子和有光子两种状态，不能分辨光子数(photon-numberresolving，简称PNR)和分辨光子能量，这就使得PNR探测器能应用在更深入的光量子信息处理和光谱的精密测量中。目前已经商用化的单光子探测器主要是基于半导体系统的，如光电倍增管和工作在盖革模式下的雪崩光电二极管(APD)。然而受材料带隙宽度的限制，半导体单光子探测器通常只对某一波段的光有响应。比如硅基底的APD在400nm～900nm波段表现良好，但对波长在1μm以上的光没有响应，而这恰好是现代通信波长(1.31μm和1.55μm)所在的区间。超导材料的能隙在meV量级，因此对近红外波段的光子有灵敏的响应。且超导探测器工作在低温，具有极低的暗计数率，这些优点使超导单光子探测器成为工作在通信波段的PNR探测器的最佳解决方案之一。当前被广泛研究的且具备通信波段光子数分辨性能的超导探测器主要有两种：超导纳米线单光子探测器(SNSPD)和基于热敏超导边界转变传感技术(TES)的单光子探测器。SNSPD是利用光子入射到纳米线上后形成的热点区域失去超导电性来实现光子探测，虽然通过空间或者时域复用可使SNSPD间接的分辨光子数，但单个SNSPD本身并不具备PNR的能力，并且无法分辨光子能量。TES则是利用超导转变曲线(电阻-温度)斜率极大的超导薄膜来实现光子探测，因为TES的电阻变化在线性区内正比于入射光子的数目或能量，所以TES自身就具有光子数和能量分辨能力，但TES需要芯片上的SQUID工艺,对微加工技术要求很高，如果扩展到阵列探测器的话会大大增加测量线路上的复杂性。为了解决单个SNSPD无法分辨光子数目和能量，以及TES无法大规模集成的问题，我们提出和实现了另外一种具备PNR和光子能量分辨能力的超导探测器:微波动态电感探测器(MicrowaveKineticInductanceDetector,简称MKID)，这是和本申请专利最相关的技术，具体请参看已发表论文:Countingnearinfraredphotonswithmicrowavekineticinductancedetectors,Appl.Phys.Lett.110,212601(2017).MKID的工作原理是利用超导材料的动态电感对辐射能量的灵敏响应实现光子探测。当光子被光子吸收区吸收后，库珀电子对密度降低改变了谐振器的动态电感，准粒子密度提高则使谐振器表面电阻增大，最终会导致谐振频率和品质因数的降低。因此当输入谐振频率附近的微波激励信号后，我们会观察到与光脉冲对应的响应脉冲，而响应脉冲的幅度与吸收的光子数目(或能量)成正比，从而实现光子数目和能量的分辨。但该技术中光子吸收区域是单层的超导薄膜，即使光子完全聚焦到了吸收区域，也会不可避免的被反射或者透射从而降低光子吸收效率，进而限制了探测器的系统探测效率；此外光子吸收区采用的是超导转变温度≈1.4K的TiN薄膜，大于交指电容的材料(Al)的超导转变温度(≈1.2K)，这样光子被吸收后在TiN材料中产生的准粒子容易向Al中扩散，带来不均匀的响应，限制了能量分辨率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种高效率可分辨通信波段光子数目和能量的超导微波动态电感探测器，以解决现有MKID技术探测效率低的问题,并可进一步提升器件的光子能量分辨本领。为达到上述目的，本专利技术采取的技术方案是：一种光子数目和能量可分辨的超导微波动态电感探测器，其特征在于：包括集总结构的超导谐振器；谐振器包括用于抑制衬底中二能级杂质噪声的交指电容和作为光吸收区域的电感条；电感条嵌设于交指电容上，并与交指电容并联；电感条包括至少一层TiN薄膜，TiN薄膜的超导转变温度为0.9K，厚度为20nm，面积为10μm×10μm；交指电容的材质为Al薄膜，其超导转变温度为1.2K，厚度为200nm，线宽为5μm，面积为0.6mm×0.6mm；位于电感条下方的Si衬底呈悬浮状态，Si衬底的厚度为10μm；在TiN薄膜的上表面均匀布设一层增透膜，在其下方均匀布设一层增反膜。优选地，电感条的材质为TiN或TiN/Ti/TiN薄膜，面积为10μm×10μm，厚度为20nm，超导转变温度为0.9K。优选地，交指电容的面积为0.6mm×0.6mm，线宽为5μm，其材料为Al或Nb，超导转变温度大于1K。优选地，增透膜的材质为α-Si、SiNx或SiO2；所述增反膜的材质为Ag、Au或Al。优选地，电感条下方的Si衬底为悬浮结构，其厚度为10μm。本专利技术提供的光子数目和能量可分辨的超导微波动态电感探测器，具有以下有益效果：专利技术了光学腔结构的MKID技术，能够将光子吸收效率从30％提高至90％以上；采用超导转变温度更低(0.9K)的电感材料和悬浮结构的Si衬底，能量分辨率预期可以降低50％以上。附图说明图1为光子数目和能量可分辨的超导微波动态电感探测器的结构图。图2为光子数目和能量可分辨的超导微波动态电感探测器光学腔结构图。图3为光子数目和能量可分辨的超导微波动态电感探测器在1550nm波段附近的光吸收效率图。其中，1、交指电容；2、电感条；3、增透膜；4、增反膜；5、Si衬底。具体实施方式下面对本专利技术的具体实施方式进行描述，以便于本
的技术人员理解本专利技术，但应该清楚，本专利技术不限于具体实施方式的范围，对本
的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本专利技术的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本专利技术构思的专利技术创造均在保护之列。根据本申请的一个实施例，本方案的光子数目和能量可分辨的超导微波动态电感探测器，核心部分为集总结构的超导谐振器(参考图1)；谐振器包括用于抑制衬底中二能级杂质噪声的交指电容1(以下称为IDC)和作为光吸收区域的电感条2；电感条2与电容1并联。交指电容1具有一个较大的面积为0.6mm×0.6mm，线宽为5μm，厚度为200nm，材质为Al或Nb，超导转变温度均大于1K，这样的设计能够有效地抑制衬底中二能级杂质带来的噪声。电感条2作为光吸收区域，其材质由至少一层TiN/Ti/TiN薄膜组成，其超导转变温度为0.9K，厚度为20nm，面积为10μm×10μm。电感条2的超导转变温度(0.9K)小于IDC的超导转变温度(1.2K)，有利于阻隔在电感区激发的准粒子向电容区域的扩散，从而降低散射光子被IDC吸收带来的影响，实现更加均匀的光子响应；同时超导转变温度越低，在相同强度的光照射下有更强的响应信号(信号幅度反比于超导转变温度Tc)，因此Tc≈0.9K的TiN薄膜相比于Tc≈1.4K的TiN薄膜，其能量分辨率预期可以降低50％。参考图2，光学腔结构设计，用于最大化入射到光吸收区域的光子被吸收的概率。光学腔结构的设计为：电感条2下方的Si衬底5呈悬浮本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光子数目和能量可分辨的超导微波动态电感探测器，其特征在于：包括集总结构的超导谐振器；所述谐振器包括用于抑制衬底中二能级杂质噪声的交指电容和作为光吸收区域的电感条；所述电感条嵌设于交指电容上，并与交指电容并联；所述电感条包括至少一层TiN薄膜，TiN薄膜的超导转变温度为0.9K，厚度为20nm，面积为10μm×10μm；所述交指电容的材质为Al薄膜，其超导转变温度为1.2K，厚度为200nm，线宽为5μm，面积为0.6mm×0.6mm；位于所述电感条下方的Si衬底呈悬浮状态，Si衬底的厚度为10μm；在所述TiN薄膜的上表面均匀布设一层增透膜，在其下方均匀布设一层增反膜。

【技术特征摘要】
1.一种光子数目和能量可分辨的超导微波动态电感探测器，其特征在于：包括集总结构的超导谐振器；所述谐振器包括用于抑制衬底中二能级杂质噪声的交指电容和作为光吸收区域的电感条；所述电感条嵌设于交指电容上，并与交指电容并联；所述电感条包括至少一层TiN薄膜，TiN薄膜的超导转变温度为0.9K，厚度为20nm，面积为10μm×10μm；所述交指电容的材质为Al薄膜，其超导转变温度为1.2K，厚度为200nm，线宽为5μm，面积为0.6mm×0.6mm；位于所述电感条下方的Si衬底呈悬浮状态，Si衬底的厚度为10μm；在所述TiN薄膜的上表面均匀布设一层增透膜，在其下方均匀布设一层增反膜。2.根据权利要求1所述的光子数目和能量可分辨的超导...

【专利技术属性】
技术研发人员：王轶文，官怀，戴茂春，刘想靓，郭伟杰，贺青，喻峰，宋成，高海燕，高湔松，韦联福，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51