基于超表面结构的超导纳米线单光子探测器及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种基于超表面结构的超导纳米线单光子探测器及其制备方法，该探测器包括：衬底；超导纳米线单光子探测器，形成于衬底的一面，包括形成于衬底上的超导纳米线层；超表面结构，形成于衬底的另一面，且通过刻蚀衬底的另一面形成，超表面结构由具有梯度相位分布的不同直径的圆柱体构成，超表面结构将垂直入射光聚焦至超导纳米线单光子探测器上；除去超表面结构后衬底的厚度与超表面结构的焦距适配。该超导纳米线单光子探测器整个系统简洁精巧；另外，由于超表面结构是由衬底直接刻蚀形成并与超导纳米线单光子探测器加工在一起，不需要装配且不需要外部对准辅助，方便集成，对准精度及安全性高，不受外界震动的影响，便于携带和移动。

【技术实现步骤摘要】
基于超表面结构的超导纳米线单光子探测器及其制备方法
本专利技术属于光电探测器
，特别是涉及一种基于超表面结构的超导纳米线单光子探测器及其制备方法。
技术介绍
超导纳米线单光子探测器(SuperconductingNanowireSingle-PhotonDetector，SNSPD)通常是由纳米级宽度和百纳米甚至微米级长度的超导薄膜材料制作而成，具有探测效率高、暗计数低、时间抖动小和响应速度快等特点。因此，超导纳米线单光子探测器具有广泛的应用领域，特别是在量子保密通讯、量子光学计算、经典激光通讯、时间飞行深度成像等领域。在大量实际应用中，超导纳米线单光子探测器的系统效率和探测速度是其非常重要的性能指标。常用的超导纳米线单光子探测器光耦合方式包括光纤垂直耦合和光波导耦合，其中光纤垂直耦合方式中，器件的耦合效率制约了光纤垂直耦合超导纳米线单光子探测器的系统探测效率。为了获得高的光耦合效率，最直接的方法是增加探测器的有效探测面积。但是，增加超导纳米线的面积，也会使得器件动态电感增大，造成器件的恢复时间变长，这将不可避免的降低器件的探测速率，影响器件在众多领域的应用；另外，从器件的加工制备方面来讲，随着器件有效探测面积的增加，即大大增加超导纳米线的长度，这样势必会增加纳米线中引入缺陷的概率，会急剧增大器件的制备难度，因此，简单地增加纳米线区域的面积并不是解决这一问题的完美手段。另一方面，人们利用传统光学透镜组合起来进行光斑汇聚，但光学透镜首先会造成整个系统非常笨重；其次需要外部辅助对准结构实现光学透镜与SNSPD之间的对准，且由于两者是装配在一起，所以安全性能也较低；最后，随着器件尺寸逐渐减小，组装难度也越来越高。
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基于超表面结构的超导纳米线单光子探测器及其制备方法，用于解决现有技术中光纤垂直耦合超导纳米线单光子探测器系统笨重、对准过程复杂且安全性较低及组装难度高等的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种基于超表面结构的超导纳米线单光子探测器，所述单光子探测器包括：衬底，具有相对的两面；超导纳米线单光子探测器，形成于所述衬底的一面，包括形成于所述衬底上的超导纳米线层；超表面结构，形成于所述衬底的另一面，且通过刻蚀所述衬底的另一面形成，所述超表面结构由具有梯度相位分布的不同直径的圆柱体构成，所述超表面结构将垂直入射光聚焦至所述超导纳米线单光子探测器上；除去所述超表面结构后所述衬底的厚度与所述超表面结构的焦距适配。可选地，所述衬底为硅衬底，所述超表面结构为硅基超表面结构。进一步地，所述超表面结构为抛物线相位分布的圆形硅基超表面结构。进一步地，所述超表面结构的半径为15μm，除去所述超表面结构后所述衬底的厚度为410μm，所述超导纳米线单光子探测器的直径为5μm。可选地，所述超导纳米线层为氮化铌超导纳米线层。本专利技术还提供一种基于超表面结构的超导纳米线单光子探测器的制备方法，用于制备上述所述的基于超表面结构的超导纳米线单光子探测器，所述制备方法包括以下步骤：提供衬底，所述衬底具有相对的两面；于所述衬底的一面沉积超导薄膜层，并光刻刻蚀所述超导薄膜层为超导纳米线层，以形成超导纳米线单光子探测器；光刻刻蚀所述衬底的另一面，以在所述衬底表面形成具有梯度相位分布的不同直径的圆柱体，所有所述圆柱体形成超表面结构。可选地，形成所述超导纳米线单光子探测器后，还包括：于所述衬底的一面表面及所述超导纳米线层表面涂覆保护层的步骤。可选地，所述衬底为硅衬底，所述超表面结构为硅基超表面结构。进一步地，所述超表面结构为抛物线相位分布的圆形硅基超表面结构。可选地，所述超导薄膜层为氮化铌薄膜层，所述超导纳米线层为氮化铌超导纳米线层。如上所述，本专利技术的基于超表面结构的超导纳米线单光子探测器及其制备方法，通过刻蚀衬底直接形成超表面结构，并基于该超表面结构与衬底结合实现将垂直入射光聚焦至超导纳米线单光子探测器上实现光斑汇聚，整个系统简洁精巧；另外，由于超表面结构是由衬底直接刻蚀形成并与超导纳米线单光子探测器加工在一起，不需要装配且不需要外部对准辅助，方便集成，对准精度及安全性高，不受外界震动的影响，便于携带和移动。附图说明图1显示为本专利技术的基于超表面结构的超导纳米线单光子探测器的立体示意图。图2显示为本专利技术的基于超表面结构的超导纳米线单光子探测器的截面示意图。图3及图4显示为本专利技术一示例的基于超表面结构的超导纳米线单光子探测器的垂直入射光的光波沿传播轴z的远场投影结果的仿真示意图；图4中光强的变化趋势为在x轴原点线上光强逐渐增大至最大值然后逐渐减小(如图中箭头所示)，当z轴取值约为410μm时光强达到最强。图5及图6显示为本专利技术一示例的基于超表面结构的超导纳米线单光子探测器的垂直入射光的光波在焦点处的光场分布仿真示意图；图6中光强的变化趋势为越靠近x轴与y轴的原点光强越强(如图中箭头所示)。图7至图14显示为本专利技术的基于超表面结构的超导纳米线单光子探测器的制备方法中各步骤所显示的结构示意图。元件标号说明10衬底11超导纳米线单光子探测器110超导薄膜层111超导纳米线层12超表面结构120圆柱体121超表面结构轮廓13垂直入射光14光刻胶层140图形化的光刻胶层15保护层D厚度具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。请参阅图1至图14。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本专利技术的基本构想，遂图示中仅显示与本专利技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可根据实际需要进行改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。实施例一如图1、图2及图14所示，本实施例提供一种基于超表面结构的超导纳米线单光子探测器，所述单光子探测器包括：衬底10，具有相对的两面，如图1中的上表面及下表面；超导纳米线单光子探测器11，形成于所述衬底10的一面，如图1中的下表面，包括形成于所述衬底10上的超导纳米线层111(如图14所示)；超表面结构12，形成于所述衬底10的另一面，如图1中的上表面，且所述超表面结构12通过刻蚀所述衬底10的另一面形成，所述超表面结构12由具有梯度相位分布的不同直径的圆柱体120构成，所述超表面结构12将垂直入射光13聚焦至所述超导纳米线单光子探测器11上；除去所述超表面结构12后所述衬底10的厚度D与所述超表面结构12的焦距适配。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于超表面结构的超导纳米线单光子探测器，其特征在于，所述单光子探测器包括：/n衬底，具有相对的两面；/n超导纳米线单光子探测器，形成于所述衬底的一面，包括形成于所述衬底上的超导纳米线层；/n超表面结构，形成于所述衬底的另一面，且通过刻蚀所述衬底的另一面形成，所述超表面结构由具有梯度相位分布的不同直径的圆柱体构成，所述超表面结构将垂直入射光聚焦至所述超导纳米线单光子探测器上；/n除去所述超表面结构后所述衬底的厚度与所述超表面结构的焦距适配。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于超表面结构的超导纳米线单光子探测器，其特征在于，所述单光子探测器包括：
衬底，具有相对的两面；
超导纳米线单光子探测器，形成于所述衬底的一面，包括形成于所述衬底上的超导纳米线层；
超表面结构，形成于所述衬底的另一面，且通过刻蚀所述衬底的另一面形成，所述超表面结构由具有梯度相位分布的不同直径的圆柱体构成，所述超表面结构将垂直入射光聚焦至所述超导纳米线单光子探测器上；
除去所述超表面结构后所述衬底的厚度与所述超表面结构的焦距适配。


2.根据权利要求1所述的基于超表面结构的超导纳米线单光子探测器，其特征在于：所述衬底为硅衬底，所述超表面结构为硅基超表面结构。


3.根据权利要求2所述的基于超表面结构的超导纳米线单光子探测器，其特征在于：所述超表面结构为抛物线相位分布的圆形硅基超表面结构。


4.根据权利要求3所述的基于超表面结构的超导纳米线单光子探测器，其特征在于：所述超表面结构的半径为15μm，除去所述超表面结构后所述衬底的厚度为410μm，所述超导纳米线单光子探测器的直径为5μm。


5.根据权利要求1所述的基于超表面结构的超导纳米线单光子探测器，其特征在于：所述超导纳米线层为氮化铌超导纳米线层。

【专利技术属性】
技术研发人员：韩海龙，李浩，尤立星，
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