本发明专利技术公开了一种超导纳米线单光子探测器，由N个串联的超导纳米线单元、N个不同阻值的并联电阻和光学谐振腔组成，所述N个不同阻值的电阻分别并联在N个超导纳米线单元的两端，所述光学谐振腔覆盖在N个串联的超导纳米线单元上层。本发明专利技术不仅能够实现光子数分辨，同时还具备了空间分辨的能力。本发明专利技术还公开了一种制备如上所述的超导纳米线单光子探测器的方法，整个工艺流程只需要进行一次纳米线图形的电子束曝光，有效降低了器件的制备成本。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及，具体是能同时实现空间分辨 和光子数分辨的高探测效率的，属于单光子探测和 极弱光探测
，适用于在可见光以及红外波段需要实现光子分辨的单光子探测技 术。
技术介绍
单光子探测器是一种高灵敏度的超低噪声器件，通过对入射的单个光子进行探测 和计数实现对极微弱目标信号的探测。因此，高性能的单光子探测器在量子通信、量子计 算、集成电路探测、分子荧光探测等新兴的弱光探测技术应用领域有着广泛的需求。 传统的单光子探测器有光电倍增管、雪崩光电二极管等，但是这些单光子探测器 在近红外波段探测效率不高，重复速率普遍较低，因此不能满足量子通讯等领域的需求。随 着薄膜工艺和微加工技术的发展，以及单光子探测技术的迫切需求，超导纳米线单光子探 测技术应运而生，该技术具有灵敏度高、重复速率快、暗计数低等优点，在可见光和红外波 段显示出优异的单光子探测能力。 但是，目前传统的超导纳米线单光子探测器主要工作在非线性模式，即在探测光 子时，无法分辨入射光子的数目和位置。为了满足一些需要实现空间分辨和光子数分辨的 特殊应用的要求，例如线性光学量子计算、非经典光源的特性表征等，需要改进超导纳米线 单光子探测器的结构。 目前，为了实现光子数分辨的功能，主要有以下三种方案： 一是超导纳米线单光子探测器阵列。但是超导纳米线单光子探测器阵列要求一个非常 复杂的读出电路系统，即每一个超导纳米线单光子探测器都需要一个由放大器、偏置电路 等组成的读出电路； 二是并联纳米线光子分辨探测器。并联纳米线光子分辨探测器的读出电路比较简单， 但是漏电流较大，严重限制了该器件的探测效率和分辨光子的最大数目； 三是串联纳米线光子分辨探测器。串联纳米线光子分辨探测器的读出电路比较简单， 而且其探测效率和分辨光子的最大数目都不会受到漏电流的影响，但不具备空间分辨的能 力，探测效率不高。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的是为了提供，能 同时实现空间分辨和光子数分辨，探测效率高。 为了实现上述目的，本专利技术采用的第一种技术方案为一种超导纳米线单光子探测 器，由N个串联的超导纳米线单元、N个不同阻值的并联电阻和光学谐振腔组成，所述N个 不同阻值的电阻分别并联在N个超导纳米线单元的两端，所述光学谐振腔覆盖在N个串联 的超导纳米线单元上层。 进一步的，所述N是大于等于2的任意整数值。 进一步的，所述N个不同阻值的并联电阻由钛薄膜制备而成，所述钛薄膜的厚度 相同，通过改变电阻结构的长宽比获得不同阻值的并联电阻，电阻阻值满足以下比例关系： 当N取2时，电阻阻值为1/2 :1 ;当N取3时，电阻阻值为1/4 :1/2 :1 ;当N取4时，电阻阻 值为1/4 :1/2 :1 :2 ;当N取大于等于5的任意整数值时，电阻阻值为1/4 :3/8 :1/2 :1 :2 : 4:…：2M的比例关系。 进一步的，所述光学谐振腔由下层的氧化硅（SiOx)介质层和上层的金反射层叠加 构成，所述氧化硅介质层的厚度与探测波长λ的关系为λ八4 II)，Tl为氧化硅的折射率。 更进一步的，所述氧化娃介质层的厚度为240nm，所述金反射层的厚度为100nm。 toon] 本专利技术采用的第二种技术方案为一种制备如上所述的超导纳米线单光子探测器 的方法，包括以下步骤： 第一步，磁控溅射制备氮化铌薄膜：在双面生长有250nm厚度二氧化硅（SiO2)的硅 (Si)基片上生长厚度为6-8nm的氮化银薄膜； 第二步，电子束曝光制作纳米线图形：设计蜿蜓的纳米线图形，纳米线宽度为80nm，占 空比为1/3,纳米线覆盖的整体呈正方形；旋涂电子束抗蚀剂，通过电子束曝光写出纳米线 图形，再通过反应离子刻蚀得到纳米线，刻蚀时间为30s ; 第三步，光刻做电极：通过双层胶光刻制作金电极掩膜，先生长钛薄膜，再生长金薄膜， 最后剥离出电极； 第四步，刻蚀多余的氮化铌：单层胶光刻做刻蚀掩膜，反应离子刻蚀去除多余的氮化铌 薄膜，刻蚀时间为45s，最后去除光刻胶； 第五步，光刻做钛电阻：双层胶光刻做电阻掩膜，通过控制钛的生长时间制备方阻为 100 Ω的钛薄膜，最后剥离得到不同阻值的钛电阻； 第六步，光刻做光学谐振腔：双层胶光刻做光学谐振腔的掩膜，使用化学气相沉积制备 氧化硅介质层，再在所述氧化硅介质层上生长金反射层，最后剥离出光学谐振腔。 进一步的，所述钛薄膜的厚度为10nm，所述金薄膜的厚度为lOOnm。 进一步的，所述不同阻值的钛电阻的电阻阻值满足以下比例关系：当N取2时，电 阻阻值为1/2 :1 ;当N取3时，电阻阻值为1/4 :1/2 :1 ;当N取4时，电阻阻值为1/4 :1/2 : 1 :2 ;当N取大于等于5的任意整数值时，电阻阻值为1/4 :3/8 :1/2 :1 :2 :4 :…：2M的比 例关系。 进一步的，所述氧化娃介质层的厚度为240nm，所述金反射层的厚度为lOOnm。 进一步的，所述第六步中，使用化学气相沉积在50°C低温环境下制备氧化硅介质 层。 进一步的，所述第五步中，钛薄膜的生长时间为50s。 有益效果：本专利技术在串联纳米线光子分辨探测器原理的基础上进行了适当改进， 使得串联纳米线光子分辨探测器在实现光子数分辨的同时还具备了空间分辨的能力，并通 过在器件的上层增加光学谐振腔结构，有效地提高了其探测效率。此外，还对其制备过程进 行了优化，只需要进行一次电子束曝光，其余工艺均可通过光刻实现，减少了电子束曝光的 次数和时间，有效降低了器件的制备成本。【附图说明】 图1为6个电阻的串联纳米线光子分辨探测器的结构示意图。 图2为串联纳米线光子分辨探测器的读出电路原理图 图3为串联纳米线光子分辨探测器的等效电路原理图。 图4为3个电阻的串联纳米线光子分辨探测器等效电阻的电热仿真结果。 图5为3个电阻的串联纳米线光子分辨探测器脉冲响应的电热仿真结果。当前第1页1 2 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种超导纳米线单光子探测器，其特征在于，由N个串联的超导纳米线单元、N个不同阻值的并联电阻和光学谐振腔组成，所述N个不同阻值的电阻分别并联在N个超导纳米线单元的两端，所述光学谐振腔覆盖在N个串联的超导纳米线单元上层。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：康琳，赵丽敏，顾鹏，吴培亨，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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