基于热耦合结构的二维超导纳米线像元阵列结构及成像器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于热耦合结构的二维超导纳米线像元阵列结构及成像器。该像元阵列结构包括双层超导纳米线成像器件，上层超导纳米线成像器件和下层超导纳米线成像器件为相互独立工作的两支单光子探测系统，由中间绝缘层隔开，通过单层超导纳米线成像器件响应光子后的热效应传递至另一层超导纳米线成像器件触发该另一层超导纳米线成像器件，实现双层超导纳米线响应输出信号。本发明专利技术能有效实现大阵列超导纳米线成像，是一种利用微纳传热物理模型的超导纳米线成像器，本发明专利技术拓展了超导纳米线成像器的象素规模，提升了像元占空比，提升了超导纳米线延迟线读出成像器的探测效率，实现了红外波段成像的亚波段像素空间分辨率。

【技术实现步骤摘要】
基于热耦合结构的二维超导纳米线像元阵列结构及成像器
本专利技术属于超导单光子探测
，涉及一种基于热耦合结构的二维超导纳米线像元阵列及成像器。
技术介绍
超导单光子成像技术是量子通讯、深空探测等科学研究中的重要环节。相比半导体单光子探测器而言，大阵列超导纳米线单光子探测器具有高效率、低时间抖动、高灵敏度及低暗记数噪声等优势，是综合性能最好的单光子探测实现手段。单光子探测器要实现大阵列规模，不可避免面临读出电路复杂的问题。2017年南京大学赵清源教授利用超导纳米线延迟线读出方式，纳米线像元响应单光子，探测信号到达两端时间差/和，获得光子到达探测器表面的位置和时间。[ZhaoQY，etal.Single-photonimagerbasedonasuperconductingnanowiredelayline.NatPhotonics.2017.]这种二端读出方式，极大简化了大阵列超导纳米线成像技术的读出电路。然而这一技术面临延迟线占空大导致的像素规模相对较低的问题。低占空比也限制了光子的探测效率。
技术实现思路
针对上述现有的单层超导纳米线成像器延迟线占空大、探测效率低等不足，本专利技术提供一种双层热耦合的超导纳米线单光子成像器，该成像器通过两层器件的热耦合，保留单层器件基于延迟线的简易读出优势，通过单光子信号到达器件表面确定x、y两个维度位置坐标，并且缩小相邻像元间距，提升像素规模，提高探测效率。本专利技术提供如下技术方案：基于热耦合结构的二维超导纳米线像元阵列结构，包括双层超导纳米线成像器件，即上层超导纳米线成像器件和下层超导纳米线成像器件，所述超导纳米线成像器件包括超导延迟线，所述超导延迟线包括延迟线和超导雪崩纳米线探测单元，所述上层超导纳米线成像器件和下层超导纳米线成像器件为相互独立工作的两支单光子探测系统，由中间绝缘层隔开，通过单层超导纳米线成像器件响应光子后的热效应传递至另一层超导纳米线成像器件触发该另一层超导纳米线成像器件，实现双层超导纳米线响应输出信号。更进一步地，所述超导雪崩纳米线探测单元为雪崩纳米线结构，该结构由两支并联平行纳米线组成。更进一步地，还包括延迟线两端的阻抗变换渐变线，所述阻抗变换渐变线用于将延迟线高阻端口通过线宽渐变引出为低阻端口。更进一步地，所述双层超导纳米线成像器件触发信号的时间差为层间热耦合延迟时间，上下两层均产生一对两个方向的脉冲信号，双层器件共四个脉冲读出信号，用于准确判断光子达到位置的坐标信息。更进一步地，所述上层超导纳米线成像器件和下层超导纳米线成像器件的微纳加工工艺相同，二者的材料结构、超导性能和光子探测性能一致。更进一步地，所述中间绝缘层为氧化硅层，其厚度为200nm±20nm。更进一步地，所述上层超导纳米线成像器件和下层超导纳米线成像器件的层间热通量为：其中，qt、Rb、d、k分别代表热通量、纳米线-氧化硅边界热阻、氧化硅厚度和氧化硅热导率；光子到达位置为：其中，Δx、Δy分别代表A层、B层器件光子到达位置坐标、dg、L、v、t分别代表像元间距、单像元纳米线与延迟线长度、信号速率和信号到达时间；为下取整符号；光子到达时间和传热时间为：其中，Δtpt、Δtpn分别代表光子到达时间和层间声子传热时间，tr为激光信号参考时间。基于热耦合结构的二维超导纳米线成像器，包括上述的基于热耦合结构的二维超导纳米线像元阵列结构、以及连接所述二维超导纳米线像元阵列结构的读出电路，所述上层超导纳米线成像器件和下层超导纳米线成像器件具有相互独立的传输延迟线结构，光子到达纳米线表面触发热效应后，脉冲信号沿延迟线向器件两端传递，通过读出电路读取信号到达两端的时间差与相对激光同步信号的时间差判断光子到达位置与时间，实现单光子成像。本专利技术的有益效果如下：本专利技术提供了一种有效实现大阵列超导纳米线成像器件的方式。本专利技术是一种利用微纳传热物理模型的超导纳米线成像器，拓展了超导纳米线成像器的象素规模，提升了像元占空比。本专利技术提升了超导纳米线延迟线读出成像器的探测效率，实现了红外波段成像的亚波段像素空间分辨率。本专利技术实现了双层热耦合工作机制大阵列单光子成像，采用雪崩并联纳米线结构，很好地避免了像元间热串扰现象。通过热耦合机制成像，实现单光子触发双层纳米线，同时读出光子到达位置的二维坐标。该器件保留了延迟线读出方式，具有四个端口读出大阵列单光子探测器的优越性。采用新型双层结构，提升超导纳米线成像器的像素规模、探测效率，实现红外波段成像亚波段像素空间分辨率。附图说明图1是器件工作示意图。图2是双层结构核心示意图。图3是雪崩结构探测单元电子显微镜照片。图4是单光子信号读出时序图具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。本专利技术是一个基于层间传热的超导纳米线器件，低温环境下单像元吸收光子，导致雪崩结构失超发热。雪崩结构的聚热效应保证足够热能传递至另一层触发该层的雪崩结构，从而实现双层热耦合式级联雪崩触发。每一个雪崩结构参数为长1-10um(优选4um)、宽90nm±10nm*2、元间间距300nm±10nm。该结构一方面提供了更高的信号信噪比，一方面限制了超导纳米线失超产生的热岛长度，很好地避免了像元间的热串扰。单光子响应后，层间热信号传播时间约为10ns，这表明器件最大工作速率可达到百兆级别。根据低温热传导理论，将两层超导纳米线芯片制备在同一晶片表面，正交叠层贴合，可实现单层器件响局域热触发另一层器件，从而实现双层器件成像的功能。相比单层器件而言，同样面积成像区域将从原有像元数N提升至N×N，极大提升了超导纳米线成像器件的像素规模。探测单元仅为两支线宽90nm的并联超导纳米线，双层高像素规模器件可实现红外波段亚波段像素空间的分辨率。进一步的，像素的集成使得成像器对单光子的吸收效率更高，器件整体探测效率得到提升。实施例一本实施例提供一种如图2所示的基于热耦合结构的二维超导纳米线像元阵列结构，该像元阵列结构包括上层超导纳米线成像器件和下层超导纳米线成像器件组成的双层器件，交叉部分是响应像元。单层超导纳米线成像器件的具体结构如图3所示，包括超导延迟线，所述超导延迟线包括延迟线和超导雪崩纳米线探测单元，所述超导雪崩纳米线探测单元为雪崩纳米线结构，该结构由两支并联平行纳米线组成，雪崩结构超导转变电流相较延迟线小，确保光子在该结构处触发响应，并提高电压读出脉冲地信噪比。由于上层超导纳米线成像器件和下层超导纳米线成像器件均为一维结构，因此，组合后的双层器件可形成二维成像效果。上层超导纳米线成像器件和下层超导纳米线成像器件为相互独立工作的两支单光子探测系统，由中间绝缘层(例如，可选用氧化硅层，厚度优选为200nm±20nm，沉积氧化硅层的方法包括但不限于化学气相沉积法、电子束蒸法)绝缘隔开，通过单层响应光子后的热效应传递至另一层触发该层器件，实现双层超导纳米线响应输出信号。像元雪崩结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于热耦合结构的二维超导纳米线像元阵列结构，其特征在于，包括双层超导纳米线成像器件，即上层超导纳米线成像器件和下层超导纳米线成像器件，所述超导纳米线成像器件包括超导延迟线，所述超导延迟线包括延迟线和超导雪崩纳米线探测单元，所述上层超导纳米线成像器件和下层超导纳米线成像器件为相互独立工作的两支单光子探测系统，由中间绝缘层隔开，通过单层超导纳米线成像器件响应光子后的热效应传递至另一层超导纳米线成像器件触发该另一层超导纳米线成像器件，实现双层超导纳米线响应输出信号。/n

【技术特征摘要】
1.基于热耦合结构的二维超导纳米线像元阵列结构，其特征在于，包括双层超导纳米线成像器件，即上层超导纳米线成像器件和下层超导纳米线成像器件，所述超导纳米线成像器件包括超导延迟线，所述超导延迟线包括延迟线和超导雪崩纳米线探测单元，所述上层超导纳米线成像器件和下层超导纳米线成像器件为相互独立工作的两支单光子探测系统，由中间绝缘层隔开，通过单层超导纳米线成像器件响应光子后的热效应传递至另一层超导纳米线成像器件触发该另一层超导纳米线成像器件，实现双层超导纳米线响应输出信号。


2.根据权利要求1所述的基于热耦合结构的二维超导纳米线像元阵列结构，其特征在于，所述超导雪崩纳米线探测单元为雪崩纳米线结构，该结构由两支并联平行纳米线组成。


3.根据权利要求1所述的基于热耦合结构的二维超导纳米线像元阵列结构，其特征在于，还包括延迟线两端的阻抗变换渐变线，所述阻抗变换渐变线用于将延迟线高阻端口通过线宽渐变引出为低阻端口。


4.根据权利要求1所述的基于热耦合结构的二维超导纳米线像元阵列结构，其特征在于，所述双层超导纳米线成像器件触发信号的时间差为层间热耦合延迟时间，上下两层均产生一对两个方向的脉冲信号，双层器件共四个脉冲读出信号，用于准确判断光子达到位置的坐标信息。


5.根据权利要求1所述的基于热耦合结构的二维超导纳米线像元阵列结构，其特征在于，所述上层超导纳米线成像器件和下层超导纳米线成像器件的微纳加工工艺相同，二者的材...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵清源，陈实，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32