多光谱超导纳米线单光子探测器制造技术

技术编号:20923134 阅读:55 留言:0更新日期:2019-04-20 11:07
本发明专利技术提供一种多光谱超导纳米线单光子探测器,包括:衬底;第一光学薄膜叠层结构,位于衬底的上表面;第二光学薄膜叠层结构,位于第一光学薄膜叠层结构的上表面;第二光学薄膜叠层结构的中心波长与第一光学薄膜叠层结构的中心波长不同;超导纳米线,位于第二光学薄膜叠层结构的上表面。本发明专利技术的第二光学薄膜叠层结构即作为反射镜用于在其中心波长处达到高效吸收,又对第一光学薄膜叠层结构反射波段的光起到相移的作用,导致其吸收波长发生偏移、吸收峰数量变多,可以实现多个波段的高效吸收,即可以得到多个共振吸收波长,从而可以满足用户对不同波段单光子探测器的应用需求,以及多波段成像或多波段探测等应用的需求。

Multispectral Superconducting Nanowire Single Photon Detector

The invention provides a multispectral superconducting nanowire single photon detector, which includes: a substrate; a first optical thin film stacking structure located on the upper surface of the substrate; a second optical thin film stacking structure located on the upper surface of the first optical thin film stacking structure; a central wavelength of the second optical thin film stacking structure is different from the central wavelength of the first optical thin film stacking structure; and a superconducting nanowire. Located on the upper surface of the laminated structure of the second optical thin film. The second optical thin film laminated structure of the present invention is used as a mirror to achieve high-efficiency absorption at its central wavelength, and also plays a phase-shifting role to the light in the reflected band of the first optical thin film laminated structure, resulting in the shift of the absorption wavelength and the increase of the number of absorption peaks, thus realizing the high-efficiency absorption of multiple bands, i.e., obtaining multiple resonance absorption wavelengths, which can be satisfied. Users need different bands of single photon detector applications, as well as multi-band imaging or multi-band detection applications.

【技术实现步骤摘要】
多光谱超导纳米线单光子探测器
本专利技术属于光电探测
,涉及一种超导纳米线单光子探测器,特别是涉及一种多光谱超导纳米线单光子探测器。
技术介绍
超导纳米线单光子探测器(Superconductingnanowiresinglephotondetector:SNSPD)是近十几年发展起来的新型单光子探测技术,其相对于半导体探测器的最大的优势就是其超高的探测效率、快速响应速度以及几乎可以忽略的暗计数,且光谱响应范围可覆盖可见光至红外波段。2001年,莫斯科师范大学Gol’tsman小组首先利用5nm厚的NbN超薄薄膜制备了一条200nm宽的超导纳米线,成功实现了可见光到近红外波段的单光子探测,开启了超导纳米线单光子探测器的先河。此后,欧、美、俄、日等多个国家和研究小组纷纷开展了对SNSPD的研究。经过十余年的发展,SNSPD在1.5μm波长的探测效率从开始的不足1%已经提升到70%以上,甚至超过90%,远超过半导体SPD的探测效率。除此之外,其在暗计数、低时间抖动、高计数率等方面的优异性能已经在众多应用领域得到了验证。因此,在近红外波段附近具有优良性能表现的SNSPD无疑为激光雷达、量子信息等应用提供了很好的工具。目前SNSPD已成为超导电子学和单光子探测领域的研究热点,并有力的推动了量子信息、激光雷达等领域科技发展。国际上SNSPD领域研究著名机构包括,美国的MIT、JPL、NIST、日本的NICT、俄罗斯的MSPU等。目前光纤通信波段1550nm,探测效率最高的器件为美国NIST采用极低温超导材料WSi(工作温度<1K)研发,探测效率高达93%,而采用低温超导材料NbN(工作温度>2K)研发的SNSPD最高探测效率也达到了80%以上。除科研机构外,国际上目前已有6家主要从事SNSPD相关技术产品的公司。随着SNSPD技术发展,近年来其应用范围从1550波段延伸到可见及近红外其他波段。一方面体现在研究人员对不同波段探测器的需求日益增加,另一方面多波光的应用需要探测器同时实现几个不同波长的高效探测。现有的单光子探测器有两种典型器件结构,基于镜面结构(金属反射镜或介质高反膜结构反射镜)的正面光耦合器件及基于光学腔的背面光耦合器件。然而现有的单光子探测器受限于光学腔共振的窄带特性,已报道的单光子探测器仅高效工作在其单一共振目标波长处,即仅在单一波段可以实现较高吸收效率,超导纳米线对光子的宽谱响应特性并未完全展现,无法满足多光谱探测的需求。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点,本专利技术的目的在于提供一种多光谱超导纳米线单光子探测器,用于解决现有技术中的超导纳米线单光子探测器仅在单一波段可以实现较高的吸收效率,无法满足多光谱探测的需求的问题。为实现上述目的及其他相关目的,本专利技术提供一种多光谱超导纳米线单光子探测器,所述多光谱超导纳米线单光子探测器包括:衬底;第一光学薄膜叠层结构,位于所述衬底的上表面;第二光学薄膜叠层结构,位于所述第一光学薄膜叠层结构的上表面;所述第二光学薄膜叠层结构的中心波长与所述第一光学薄膜叠层结构的中心波长不同;超导纳米线,位于所述第二光学薄膜叠层结构的上表面。作为本专利技术的一种优选方案,所述第一光学薄膜叠层结构及所述第二光学薄膜叠层结构均包括两种依次上下交替叠置的光学薄膜层,两种所述光学薄膜层具有不同的折射率。作为本专利技术的一种优选方案,所述第一光学薄膜叠层结构包括依次上下交底叠置的SiO2光学薄膜层与TiO2光学薄膜层、依次上下交替叠置的SiO2光学薄膜层、依次上下交替叠置的SiO2与Nb2O5光学薄膜层与Si光学薄膜层或依次上下交替叠置的SiO2与Ta2O5光学薄膜层;所述第二光学薄膜叠层结构包括依次上下交底叠置的SiO2光学薄膜层与TiO2光学薄膜层、依次上下交替叠置的SiO2光学薄膜层与Si光学薄膜层、依次上下交替叠置的SiO2与Nb2O5光学薄膜层或依次上下交替叠置的SiO2与Ta2O5光学薄膜层。作为本专利技术的一种优选方案,所述第一光学薄膜叠层结构中的各所述光学薄膜层的厚度均等于入射光在其内等效波长的1/4;所述第二光学薄膜叠层结构中的各所述光学薄膜层的厚度均等于入射光在其内等效波长的1/4;所述多光谱超导纳米线单光子探测器还包括第一介质薄膜层及第二介质薄膜层,其中,所述第一介质薄膜层位于所述第一光学薄膜叠层结构与所述第二光学薄膜叠层结构之间,所述第二介质薄膜层位于所述第二光学薄膜叠层结构与所述超导纳米线之间,或位于所述第二光学薄膜叠层结构的上表面,且包覆所述超导纳米线。作为本专利技术的一种优选方案,所述第一光学薄膜叠层结构中,自底层至次顶层的各所述光学薄膜层的厚度均等于入射光在其内等效波长的1/4,且顶层的所述光学薄膜层的厚度不限于入射光在其内等效波长的1/4;所述第二光学薄膜叠层结构中,自底层至次顶层的各所述光学薄膜层的厚度均等于入射光在其内等效波长的1/4,且顶层的所述光学薄膜层的厚度不限于入射光在其内等效波长的1/4。作为本专利技术的一种优选方案,所述第一光学薄膜叠层结构的中心波长大于所述第二光学薄膜叠层结构的中心波长。作为本专利技术的一种优选方案,所述第一光学薄膜叠层结构中,两种不同的所述光学薄膜层依次上下交替叠置5~15个周期;所述第二光学薄膜叠层结构中,两种不同的所述光学薄膜层依次上下交替叠置4~10个周期。作为本专利技术的一种优选方案,所述超导纳米线的材料薄膜NbN、Nb、TaN、MoSi、MoGe、NbTiN或WSi。作为本专利技术的一种优选方案,所述超导纳米线的宽度为50纳米~100纳米,所述超导纳米线的厚度为5纳米~10纳米。作为本专利技术的一种优选方案,所述超导纳米线包括单根线条构成的单一像元探测器、多根线条构成的多像素或者多通道纳米线探测器。如上所述,本专利技术的多光谱超导纳米线单光子探测器,具有以下有益效果:本专利技术的多光谱超导纳米线单光子探测器通过在超导纳米线与衬底之间设置具有不同中心波长的第一光学薄膜叠层结构及第二光学薄膜叠层结构,第二光学薄膜叠层结构即作为反射镜用于在其中心波长处达到高效吸收,又对第一光学薄膜叠层结构反射波段的光起到相移的作用,导致其吸收波长发生偏移、吸收峰数量变多,可以实现多个波段的高效吸收,即可以得到多个共振吸收波长,从而可以满足用户对不同波段单光子探测器的应用需求,以及多波段成像或多波段探测等应用的需求;本专利技术的多光谱超导纳米线单光子探测器的第一光学薄膜叠层结构及第二光学薄膜叠层结构的顶层光学薄膜层的厚度大于在其内等效波长的1/4,或者在第一光学薄膜层叠层结构的顶部增设第一介质层,在第二光学薄膜叠层结构的顶部增设第二介质层,可以通过调节顶层光学薄膜层的厚度或第一介质层及第二介质层的厚度得到不同所需波段的共振吸收波长;本专利技术的多光谱超导纳米线单光子探测器中第二光学薄膜叠层结构中两种不同的所述光学薄膜层依次上下交替叠置4~10个周期,即可以保证第二光学薄膜叠层结构可以在其中心波长处实现高效吸收,又可以保证产生的多个共振吸收峰的宽度足够宽。附图说明图1至图3显示为本专利技术实施例一中提供的不同示例的多光谱超导纳米线单光子探测器的结构示意图。图4显示为本专利技术实施例一中提供的多光谱超导纳米线单光子探测器中第一光学薄膜叠层结构的中心波长为1440本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种多光谱超导纳米线单光子探测器,其特征在于,所述多光谱超导纳米线单光子探测器包括:衬底;第一光学薄膜叠层结构,位于所述衬底的上表面;第二光学薄膜叠层结构,位于所述第一光学薄膜叠层结构的上表面;所述第二光学薄膜叠层结构的中心波长与所述第一光学薄膜叠层结构的中心波长不同;超导纳米线,位于所述第二光学薄膜叠层结构的上表面。

【技术特征摘要】
1.一种多光谱超导纳米线单光子探测器,其特征在于,所述多光谱超导纳米线单光子探测器包括:衬底;第一光学薄膜叠层结构,位于所述衬底的上表面;第二光学薄膜叠层结构,位于所述第一光学薄膜叠层结构的上表面;所述第二光学薄膜叠层结构的中心波长与所述第一光学薄膜叠层结构的中心波长不同;超导纳米线,位于所述第二光学薄膜叠层结构的上表面。2.根据权利要求1所述的多光谱超导纳米线单光子探测器,其特征在于,所述第一光学薄膜叠层结构及所述第二光学薄膜叠层结构均包括两种依次上下交替叠置的光学薄膜层,两种所述光学薄膜层具有不同的折射率。3.根据权利要求2所述的多光谱超导纳米线单光子探测器,其特征在于,所述第一光学薄膜叠层结构包括依次上下交底叠置的SiO2光学薄膜层与TiO2光学薄膜层、依次上下交替叠置的SiO2光学薄膜层与Si光学薄膜层、依次上下交替叠置的SiO2与Nb2O5光学薄膜层或依次上下交替叠置的SiO2与Ta2O5光学薄膜层;所述第二光学薄膜叠层结构包括依次上下交底叠置的SiO2光学薄膜层与TiO2光学薄膜层、依次上下交替叠置的SiO2光学薄膜层与Si光学薄膜层、依次上下交替叠置的SiO2与Nb2O5光学薄膜层或依次上下交替叠置的SiO2与Ta2O5光学薄膜层。4.根据权利要求2或3所述的多光谱超导纳米线单光子探测器,其特征在于,所述第一光学薄膜叠层结构中的各所述光学薄膜层的厚度均等于入射光在其内等效波长的1/4;所述第二光学薄膜叠层结构中的各所述光学薄膜层的厚度均等于入射光在其内等效波长的1/4;所述多光谱超导纳米线单光子探测器还包括第一介质薄膜层及第二介质薄膜层,其中,所述第一介质薄膜层位于所述第一...

【专利技术属性】
技术研发人员:李浩尤立星王河清王镇
申请(专利权)人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所
类型:发明
国别省市:上海,31

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