具有中红外宽带光吸收特性的超导纳米线单光子探测器制造技术

本发明专利技术公开了一种具有中红外宽带光吸收特性的超导纳米线单光子探测器，其结构包括上半腔，纳米线层和下半腔共三个部分。上半腔为两层介质结构，分别为厚度为542nm硅层和厚度为624nm二氧化硅层。纳米线层为厚度为4nm、纳米线宽度为30nm的，材料为氮化铌，占空比为1/3，纳米线之间填充材料为二氧化硅,下半腔为光学谐振腔结构，由一层厚度为593nm的二氧化硅层和厚度为120nm的金反射镜组成。仿真结果显示，本发明专利技术的超导纳米线单光子探测器在3‑5μm的中红外大气窗波长范围内具有双峰耦合谐振特性，当入射光电场平行于纳米线时，在2956nm‑4828nm波长范围内均能够实现至少60％的光吸收率。

【技术实现步骤摘要】
具有中红外宽带光吸收特性的超导纳米线单光子探测器
本专利技术属于单光子探测器设计
，涉及一种具有中红外宽带光吸收特性的超导纳米线单光子探测器。
技术介绍
作为光量子信息系统的重要器件，单光子探测器的研究具有十分重要的理论意义和实际价值。相比于传统的半导体单光子探测器，超导纳米线单光子探测器因其探测效率高、暗计数低、恢复时间短等诸多优点，从2001年提出以来，就获得了研究人员的广泛关注。现有成熟的超导纳米线单光子探测器主要工作在近红外波段。而在中红外波段，由于波长增加使得单个光子能量的下降，更难以形成使超导纳米线产生阻态的“热点”，从而造成超导纳米线单光子探测器在中红外波段的探测效率明显下降，严重影响其在中红外波段的进一步应用。目前，解决这一问题的一种有效手段是采用超窄纳米线结构，将原来常用的宽度约为100nm左右的纳米线，替换为约为30-50nm的纳米线，从而提高探测器对于中红外光子的探测效率。但这一过程面临两个主要的问题，一个是超窄纳米线对于加工的要求更高，另一个是目前尚缺乏具有中红外宽带光吸收特性的超导纳米线单光子探测器设计。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有中红外宽带光吸收特性的超导纳米线单光子探测器，该探测器对于2956nm-4828nm波长范围内的入射光(电场平行于纳米线)具有至少60％的吸收效率。本专利技术所采用的技术方案是，一种具有中红外宽带光吸收特性的超导纳米线单光子探测器，包括从上至下依次设置的上半腔、纳米线层及下半腔，上半腔为两层介质结构，下半腔为光学谐振腔结构。本专利技术的特点还在于，上半腔的两层介质从上至下分别为厚度为542nm硅层和厚度为624nm二氧化硅层。纳米线层厚度为4nm，纳米线宽度为30nm，纳米线层材料为氮化铌，占空比为1/3，纳米线之间填充材料为SiO2。下半腔包括一层厚度为593nm的SiO2层和一层厚度为120nm的金反射镜。当入射光电场平行于纳米线时，所述探测器在3134nm和4364nm处发生谐振。本专利技术的有益效果是，本专利技术基于30nm线宽的超窄纳米线，并利用两个波长处谐振特性的耦合，实现了具有3-5μm宽带光吸收特性的超导纳米线单光子探测器设计。所得探测器结构简单，便于加工和集成，当入射光电场平行于纳米线时，在几乎整个目标波长范围内(2956nm-4828nm)具有至少60％的光吸收率。附图说明图1是本专利技术具有中红外宽带光吸收特性的超导纳米线单光子探测器的单元结构示意图；图2是本专利技术具有中红外宽带光吸收特性的超导纳米线单光子探测器的周期性示意图；图3是本专利技术具有中红外宽带光吸收特性的超导纳米线单光子探测器中NbN的折射率曲线图；图4是本专利技术具有中红外宽带光吸收特性的超导纳米线单光子探测器中Au的折射率曲线图；图5是本专利技术具有中红外宽带光吸收特性的超导纳米线单光子探测器中反射率(R)、透射率(T)以及吸收率(A)的曲线；图6是不同方法计算得到的光吸收率曲线对比。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。本专利技术具有中红外宽带光吸收特性的超导纳米线单光子探测器，其理论模型为一维周期结构，单元结构如图1所示，周期性如图2所示。入射光从上半腔一侧垂直入射到器件上表面，上半腔硅(Si)层的厚度d1为542nm，折射率为3.478；上半腔二氧化硅(SiO2)层的厚度d2为624nm，折射率为1.444；纳米线层的厚度d0为4nm，采用30nm宽NbN纳米线，占空比为1/3，纳米线之间填充SiO2，氮化铌(NbN)的折射率实部和虚部随波长的变化如图3所示：下半腔SiO2层的厚度d3为593nm，折射率为1.444；作为反射层的金(Au)层，厚度d4为120nm，其折射率实部和虚部随波长的变化如图4所示；利用时域有限差分法(FDTD)对本专利技术的超导纳米线单光子探测器建模并进行全波仿真，得到的反射率(R)、透射率(T)以及吸收率(A)曲线如图5所示。可以看出，该结构在3134nm和4364nm处发生谐振，在这两个峰值处能够达到97％以上的吸收率，同时这两个谐振波长之间的耦合使得探测器在2956nm-4828nm的波长范围内都达到至少60％的吸收率。图6是采用不同方法计算能得到的光吸收率曲线对比。这里采用了两种方法，一种是FDTD，另一种是矩阵传输法(TMM)，两种方法得到的计算结果吻合良好，验证了本专利技术的有效性。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.具有中红外宽带光吸收特性的超导纳米线单光子探测器，其特征在于：包括从上至下依次设置的上半腔、纳米线层及下半腔，所述上半腔为两层介质结构，所述下半腔为光学谐振腔结构。/n

【技术特征摘要】
1.具有中红外宽带光吸收特性的超导纳米线单光子探测器，其特征在于：包括从上至下依次设置的上半腔、纳米线层及下半腔，所述上半腔为两层介质结构，所述下半腔为光学谐振腔结构。


2.根据权利要求1所述的具有中红外宽带光吸收特性的超导纳米线单光子探测器，其特征在于：所述上半腔的两层介质从上至下分别为厚度为542nm硅层和厚度为624nm二氧化硅层。


3.根据权利要求2所述的具有中红外宽带光吸收特性的超导纳米线单光子探测器，其特征在于：所述纳米线...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵雨辰，赵博洋，刘江凡，宋忠国，席晓莉，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61