一种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超导纳米线单光子探测器，所述探测器包括：弯曲分形纳米线结构和光学腔结构；所述弯曲分形纳米线结构用于缓解电流拥挤效应且实现探测效率对入射光子的偏振态不敏感，所述弯曲分形纳米线结构包括：并联型弯曲分形纳米线和串联型弯曲分形纳米线；所述光学腔结构用于实现内量子效率和吸收效率的同时优化。本发明专利技术可广泛用于光通信、单光子成像、荧光检测、量子光学等多个领域，该探测器卓越的性能可显著推进这些领域的发展和进步。卓越的性能可显著推进这些领域的发展和进步。卓越的性能可显著推进这些领域的发展和进步。

【技术实现步骤摘要】
一种超导纳米线单光子探测器


[0001]本专利技术涉及光电子器件领域，尤其涉及一种超导纳米线单光子探测器。

技术介绍

[0002]超导纳米线单光子探测器(SNSPD)近几年发展迅速，性能指标不断被推向新的高度。美国国家标准与技术研究院Sae Woo Nam团队于2019年利用硅化钼超导材料在1550纳米波段实现了98％的探测效率[Conference on Coherence and Quantum Optics,2019,pp.W2B-2.]；在2017年，荷兰代尔夫特大学Val Zwiller团队利用氮化钛铌超导材料在1310纳米波段实现了92％的探测效率[APL Photonics,2017,2(11):111301.]，中国上海微系统所尤立星团队利用氮化铌超导材料在1590纳米波段实现了98％的探测效率[arXiv preprint arXiv,2020,2009.14690.]。
[0003]目前，已报道的具有大于60％探测效率的SNSPD均采用回形结构纳米线，但回形结构纳米线使得SNSPD的吸收效率与入射光的偏振态有关，即吸收效率呈现偏振敏感性，进而导致探测效率具有偏振敏感性。中国天津大学胡小龙研究小组利用分形结构纳米线实现了具有60％探测效率且偏振不敏感的SNSPD[Optics Letters,2020,45.2:471-474.]，利用分形结构纳米线的自相似性，几乎完全消除了探测效率的偏振敏感性，偏振敏感度为1.05。其中，所有偏振态中最大探测效率与最小探测效率的比值被定义为偏振敏感度。r/>[0004]虽然通过降低分形结构纳米线的占空比来减弱电流拥挤效应，进而提高内量子效率，但是相同占空比下分形结构纳米线比回形结构纳米线的电流拥挤效应严重很多，使得分形SNSPD难以达到更饱和的内量子效率、更小的时域抖动。另外，已报道的分形SNSPD均采用了法布里-珀罗光学腔结构，在低占空比纳米线的条件下，SNSPD的吸收效率显著降低。SNSPD的探测效率是入射光场与SNSPD光敏区的耦合效率，SNSPD光敏区对入射光的吸收效率，以及SNSPD的内量子效率三者的乘积，而集成法布里-珀罗光学腔的分形SNSPD的吸收效率与内量子效率存在相互制约的关系，因此，这种制约关系限制了分形SNSPD的探测效率。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种弯曲分形超导纳米线单光子探测器，本专利技术通过设计SNSPD纳米线拓扑结构来缓解电流拥挤效应，提高内量子效率且实现探测效率偏振不敏感；另一方面，本专利技术设计一种光学微腔结构，用于增强纳米线在目标波段的吸收效率，最终实现具有高探测效率且偏振不敏感的弯曲分形SNSPD，详见下文描述：
[0006]一种超导纳米线单光子探测器，所述探测器包括：弯曲分形纳米线结构和光学腔结构；
[0007]所述弯曲分形纳米线结构用于缓解电流拥挤效应且实现探测效率对入射光子的偏振态不敏感，所述弯曲分形纳米线结构包括：并联型弯曲分形纳米线和串联型弯曲分形纳米线；
[0008]所述光学腔结构用于实现内量子效率和吸收效率的同时优化。
[0009]其中，所述并联型弯曲分形纳米线具体为：
[0010]多个1级结构依次逆时针旋转90度后再串联，得到2级结构；一对2级结构并联，得到3级结构；多个3级结构串联组成二维平面形成光子探测区域。
[0011]进一步地，所述串联型弯曲分形纳米线具体为：多个2级结构依次逆时针旋转90度后再串联形成光子探测区域。
[0012]优选地，所述弯曲分形纳米线结构为占空比经过优化的弯曲分形纳米线。
[0013]其中，所述光学腔结构由上下两层分布式布拉格反射镜与中间的缺陷层组成；
[0014]所述弯曲分形纳米线结构置于缺陷层内部，分布式布拉格反射镜由多层不同折射率的介质材料排列组成。
[0015]本专利技术提供的技术方案的有益效果是：
[0016]1、本专利技术实现了一种具有高探测效率且偏振不敏感的弯曲分形SNSPD；可广泛用于光通信、单光子成像、荧光检测、量子光学等多个领域，该探测器卓越的性能可显著推进这些领域的发展和进步；
[0017]2、将超导纳米线设计成弯曲分形纳米线结构，进一步减弱传统分形纳米线结构的电流拥挤效应，并实现探测效率偏振不敏感；
[0018]3、将弯曲分形纳米线的线宽减小至40纳米，提高SNSPD的内量子效率；
[0019]4、将多根弯曲分形纳米线并联，补偿超细纳米线的超导转变电流，优化超细纳米线的时域特性；
[0020]5、通过减小弯曲分形纳米线的占空比优化电流拥挤效应，同时设计SNSPD的光学结构，实现内量子效率和吸收效率的同时优化。
附图说明
[0021]图1为并联型弯曲分形纳米线结构示意图；
[0022]其中，(a)为1级结构；(b)为2级结构；(c)为3级结构；(d)为完整的光子探测区域；(e)-(g)为3级结构串联方式说明。
[0023]图2为图1所示的并联型弯曲分形纳米线的电路结构示意图；
[0024]图3为串联型弯曲分形纳米线结构示意图；
[0025]其中，(a)为4个2级结构串联而成的串联型分形纳米线结构示意图；(b)为9个2级结构串联而成的串联型分形纳米线结构示意图。
[0026]图4为并联型弯曲分形结构SNSPD扫描电镜照片，小图为放大的单元结构示意图；
[0027]图5为正入射光学结构示意图；
[0028]其中，二氧化硅(SiO2)、五氧化二钽(Ta2O5)、氮化钛铌(NbTiN)、硅(Si)均已在图5中标示，同一种灰度对应同一种材料，横向虚线为缺陷层1与缺陷层2的分界线。
[0029]图6为HE
11x
与HE
11y
两个正交偏振态下弯曲分形SNSPD吸收效率随缺陷层总厚度变化的仿真结果示意图；
[0030]图7为弯曲分形SNSPD、传统皮亚诺分形SNSPD、回形SNSPD的超导转变电流抑制比(I
sw
/I
c
)与弯曲分形SNSPD的吸收效率随占空比变化的仿真结果示意图；
[0031]其中，超导转变电流抑制比定义为相同宽度的弯曲分型纳米线的超导转变电流(I
sw
)与直条纳米线的超导转变电流(I
c
)的比值。
[0032]图8为探测效率测试装置示意图；
[0033]图9为弯曲分形SNSPD的最大与最小探测效率、偏振敏感度随偏置电流变化的测试结果示意图；
[0034]图10为时域抖动测试装置示意图；
[0035]图11为弯曲分形SNSPD的时域抖动随偏置电流变化的测试结果示意图。
具体实施方式
[0036]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。
[0037]实施例1
[0038]一种超导纳米线单光子探测器，参见图1-图5，本专利技术实施例将SNSPD设计为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超导纳米线单光子探测器，其特征在于，所述探测器包括：弯曲分形纳米线结构和光学腔结构；所述弯曲分形纳米线结构用于缓解电流拥挤效应且实现探测效率对入射光子的偏振态不敏感，所述弯曲分形纳米线结构包括：并联型弯曲分形纳米线和串联型弯曲分形纳米线；所述光学腔结构用于实现内量子效率和吸收效率的同时优化。2.根据权利要求1所述的一种超导纳米线单光子探测器，其特征在于，所述并联型弯曲分形纳米线具体为：多个1级结构依次逆时针旋转90度后再串联，得到2级结构；一对2级结构并联，得到3级结构；多个3级结构串联组成二维平面形成光...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡小龙，孟赟，邹锴，胡南，许亮，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：