用于超导单光子探测器的光束压缩和正面光耦合装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于超导单光子探测器的光束压缩和正面光耦合装置，该装置为三层结构，每层结构以可拆卸的方式相互连接；装置顶层含有样品座，所述样品座上设有用于测量电路的SMA接头，样品座底部设有凹槽用于固定超导纳米线探测芯片，所述超导纳米线探测芯片的纳米线感光区域正面朝向耦合透镜；装置中间层含有中间座，装置底层含有耦合透镜固定座和耦合透镜，光纤自下接入耦合透镜；所述样品座，中间座和耦合透镜固定座均设有通孔，光经耦合透镜在垂直上端口聚焦形成光斑，光向上垂直射出并到达超导纳米线探测芯片的水平位置，最终入射进显微镜以便观测和调整位置，有效提高了SNSPD的探测效率。SNSPD的探测效率。SNSPD的探测效率。

【技术实现步骤摘要】
用于超导单光子探测器的光束压缩和正面光耦合装置


[0001]本专利技术涉及一种用于超导单光子探测系统的装置，具体涉及一种用于超导单光子探测器的光束压缩和正面光耦合装置。

技术介绍

[0002]超导纳米线单光子探测器（SNSPD）是一种具备高探测效率、低暗计数和极低噪声的器件。基于超导库博对与光子的相互作用机制，它能够探测到光子的最小能量单位——单光子。其探测原理是：当处于偏置状态的超导纳米线吸收光子后从超导态变为电阻态，从而影响了电路的电流分布，通过低噪声放大器，读出电流变化所产生的光脉冲响应，从而实现单光子探测的目的。超导纳米线单光子探测器通常工作在极低温度，一般在3 K温区以内。较半导体单光子探测器而言，超导纳米线单光子探测器具有探测灵敏度高、暗计数率低、信号响应速度快等特点，这些特点也使得超导单光子探测器广泛应用于微弱光子探测领域，如生物荧光成像、高能物理、天文探测、红外探测、激光雷达、量子通信等。
[0003]由探测原理可知，光子从光源到达纳米线上的比例决定了系统的探测效率，为了使入射光的光子准确的落入到纳米线的光敏区，通常需要将光纤对准超导薄膜的感光处，然后将二者粘接固定。但是这种直接接触的方式会在一定程度上损坏样品，并且会在光纤端面产生反射面，导致只有少数光子能够到达光敏区被纳米线吸收，并且常用的多模光纤直径为200微米，面积远大于超导纳米线的光敏区，这就导致从光纤射出的光子中只有一小部分射入光敏区，大大降低了探测效率。除此之外，光束和光敏区正面耦合过程的手动操作难度巨大，易产生较大误差。另一种传统对光方式是利用入射光的光斑与超导纳米线光敏区的背面对准，使光子穿过探测器背面的衬底到达纳米线光敏区。这种背面对准方式有一定简便性，但同样会造成光子的部分反射，同时衬底对入射光有不同程度的吸收损耗，影响探测效率。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：本专利技术旨在提供一种探测效率高的用于超导单光子探测器的光束压缩和正面光耦合装置。
[0005]技术方案：本专利技术所述的用于超导单光子探测器的光束压缩和正面光耦合装置为三层结构，每层结构以可拆卸的方式相互连接；装置顶层含有样品座，所述样品座上设有用于测量电路的SMA接头，样品座底部设有凹槽用于固定超导纳米线探测芯片，所述超导纳米线探测芯片的纳米线感光区域正面朝向耦合透镜；装置中间层含有中间座，装置底层含有耦合透镜固定座和耦合透镜，光纤自下接入耦合透镜；所述样品座，中间座和耦合透镜固定座均设有通孔，光经耦合透镜在垂直上端口聚焦形成光斑，光向上垂直射出并到达超导纳米线探测芯片的水平位置，最终入射进显微镜以便观测和调整位置。
[0006]进一步地，所述测量电路的SMA接口设计在样品座的侧边，共设有四个电学通道，与同轴电缆线相连；所述超导纳米线探测芯片的感光部分正对耦合透镜的出射光子，避免
了光子在衬底中的损耗。通光后在超导纳米线探测芯片上会出现光斑，需要通过显微镜观察，调整超导纳米线探测芯片和耦合透镜的位置使光斑大致落在超导纳米线探测芯片的感光区域。
[0007]进一步地，所述样品座下方设有沿X轴方向的导轨，可沿中间座上方的导轨槽自由移动，用于实现芯片感光区域在X轴方向与光斑进行对准。所述中间座和样品座可以实现二维平面内约束性可调，整个过程可利用显微镜观察聚焦光斑和纳米线感光区域的对准情况。
[0008]进一步地，所述中间座下方设有沿Y轴方向的导轨，可沿耦合透镜固定座上方的导轨槽自由移动，用于实现芯片感光区域在Y轴方向与光斑的对准。
[0009]进一步地，所述耦合透镜固定座在通孔通径中嵌有螺纹，耦合透镜外部也设有螺纹，二者相互啮合，用于实现在Z轴方向调整耦合透镜与芯片的垂直距离，使光斑在显微镜观察下呈现最小最亮的状态，即保证入射光已经聚焦至超导薄膜芯片感光区域所在的平面。
[0010]进一步地，所述中间座两侧均设有位移调节器，用于实现装置在X轴方向和Y轴方向的双向微调。
[0011]进一步地，所述超导纳米线探测芯片的衬底面采用低温胶背向固定在样品座凹槽的内侧面，并将超导纳米线探测芯片的感光部分对准通孔处，以便从垂直下方入射光子。
[0012]进一步地，所述耦合透镜固定座侧边设有多个螺孔，用于旋入螺丝进一步加固与耦合透镜的连接，保证在温度变化时耦合透镜的相对稳固性。
[0013]进一步地，所述样品座的通孔尺寸小于超导纳米线探测芯片的面积，既能保证超导纳米线探测芯片与样品座有足够的接触面积用于涂覆低温胶固定，又能保证上方显微镜有足够的视野观察超导纳米线探测芯片中光斑情况。
[0014]有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有如下显著优点：能有效提高SNSPD的探测效率，由于超导单光子探测器的衬底部分对入射光有一定的吸收和反射，故使用背面光对准方法会减少到达芯片感光区域的光子数目，进而降低探测效率，而本专利技术装置能够实现光从光纤射出与感光处直接接触，大大减少了衬底对入射光子的反射和吸收，提高SNSPD的探测效率；除此之外，本专利技术可实现光和超导薄膜xyz方向的精确对准，操作简单方便，本专利技术利用三层对光装置，使经光纤射出的光束可以先经耦合透镜压缩再与超导单光子探测器光敏区域实现正面直接对准，并且对光系统竖直方向可自由调节，提高光斑对准超导薄膜感光区域的手动调节效率。
附图说明
[0015]图1为本专利技术装置结构图；图2为芯片(a)背面对准示意图，(b)正面对准示意图；图3为(a)样品座，(b)中间座，(c)耦合透镜固定座的结构示意图；图4为对光装置实物图；图5为(a)光斑调整前，(b)光斑调整后，(c)无入射光的调整对比图；图6为正面和背面对准探测效率对比图。
具体实施方式
[0016]下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步说明。
[0017]图1中的附图标记为：1
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光纤；2
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耦合透镜；3
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耦合透镜固定座；4
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中间座；5
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样品座；6
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SMA接头；7
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超导纳米线探测芯片；8
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显微镜；9
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位移调节器。
[0018]1、超导纳米线探测芯片说明：超导纳米线探测芯片由矩形衬底和超导薄膜刻蚀成的超导纳米线两部分组成，以下简称为超导芯片。超导芯片的纳米线感光区域一般位于芯片中心处，一般需借助显微镜来观察。芯片衬底对1550 nm波段的光表现为透明，即在测量中芯片衬底是不影响显微镜观测效果的。在每一次实际的测量中，表征的是感光区域对光子入射时的反应灵敏度。
[0019]2、本专利技术的对光装置的具体说明：一种用于超导纳米线单光子探测系统中光纤正面对准装置组成如下：1）光纤1和衔接光纤1的耦合透镜2；2）对光装置主体。包括装置顶层
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样品座5，装置中间层
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中间座4，装置底层
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耦合透镜固定座3。各部分具体功能如下：a. 装置顶层
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于超导单光子探测器的光束压缩和正面光耦合装置，其特征在于，该装置为三层结构，每层结构以可拆卸的方式相互连接；装置顶层含有样品座（5），所述样品座（5）上设有用于测量电路的SMA接头（6），样品座（5）底部设有凹槽用于固定超导纳米线探测芯片（7），所述超导纳米线探测芯片（7）的纳米线感光区域正面朝向耦合透镜（2）；装置中间层含有中间座（4），装置底层含有耦合透镜固定座（3）和耦合透镜（2），光纤（1）自下接入耦合透镜（2）；所述样品座（5），中间座（4）和耦合透镜固定座（3）均设有通孔，光经耦合透镜（2）在垂直上端口聚焦形成光斑，光向上垂直射出并到达超导纳米线探测芯片（7）的水平位置，最终入射进显微镜（8）以便观测和调整位置。2.根据权利要求1所述用于超导单光子探测器的光束压缩和正面光耦合装置，其特征在于，所述样品座（5）下方设有沿X轴方向的导轨，可沿中间座（4）上方的导轨槽自由移动，用于实现芯片感光区域在X轴方向与光斑进行对准。3.根据权利要求1所述用于超导单光子探测器的光束压缩和正面光耦合装置，其特征在于，所述中间座（4）下方设有沿Y轴方向的导轨，可沿耦合透镜固定座（3）上方的导轨槽...

【专利技术属性】
技术研发人员：张蜡宝，李慧，康琳，陈健，吴培亨，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：