一种低温表征超导薄膜和器件光学参数的方法技术

本发明专利技术公开了一种低温表征超导薄膜和器件光学参数的方法，包括：将两根同型号的单模光纤压实对准，并进行光纤损耗校准；将待测样品制备成为柔性薄膜结构；利用混合集成方式，将所制备的薄膜样品转移至其中一根光纤端面，贴合压实，组合成光纤

【技术实现步骤摘要】
一种低温表征超导薄膜和器件光学参数的方法


[0001]本专利技术属于超导单光子探测
，涉及一种低温表征超导薄膜和器件光学参数的方法。该方法可提高超导纳米线单光子探测器中超导薄膜材料和超导器件的低温光学参数校准精度，特别是带有光学腔结构的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由于其高系统探测效率、高计数率、低暗计数和出色的时间分辨率等特性，被广泛运用在在各种研究领域，比如量子计算、深空通讯、单光子成像等。
[0003]高系统探测效率是超导纳米线单光子探测器胜任各种应用场景的性能基础。提高超导纳米线单光子探测器的系统探测效率，须要克服的设计因素有很多，比如光学设计层面的光纤损耗、空间光损耗、谐振腔的干涉等，以及比如器件物理层面的内部效率。吸收光子后超导相变读出电压信号之间的量子效应触发概率，被称作内部效率，也称作量子效率。器件整体的系统检测效率(SDE，System Detection Effection)由光学效率和内部效率构成，定义为SDE＝P
A
×
P
C
×
P
P
×
(1
–
Q
L
)，其中SDE为系统检测效率，P
A
为光学吸收率，P
C
为入射光和有源区域之间的耦合效率，P
P
为纳米线的吸收光子后产生脉冲的效率，也就是内部效率，Q
L
为系统中的其他光学损耗。
[0004]为应对越来越高要求的单光子探测场景，实现高系统探测效率已经称为超导纳米线单光子探测器发展的重要方向。此前，大部分研究组都是依据材料本征光学属性，设计所需的超导材料的结构。然而不同沉积工艺以及实验条件的超导材料，在异于常温的低温环境具有不同的光学折射率，超导材料低温参数的不足会导致实验中出现不必要的光损失，从而降低探测器的系统探测效率。同时，对于微纳尺度纳米线结构以及器件结构也缺少低温下的光谱表征手段，从而无法最大化系统探测效率。

技术实现思路

[0005]针对上述现有技术的问题和不足，本专利技术提供一种低温表征超导薄膜和器件光学参数的方法，基于所述方法的测量系统结构为：两根单模光纤的纤芯对准并紧密贴合，将其中一根光纤的输入端与50:50光分束器相接，并在所述分束器的另一输出端和输入端分别接入光功率计和光源，另一根空光纤与光功率计相接，通过混合集成方式将所需测量的器件转移到两根单模光纤之间贴合、压实后，调整光源的输出波长，即可测量器件的光谱特性等光学参数。
[0006]通过本专利技术的混合集成方式，实现了器件与光纤之间的近场耦合，避免了传统的光纤耦合型超导纳米线器件由于光的远场耦合所产生的光反射和光散射等不确定因素，提高了光学对准精度，降低了光损失。同时通过本专利技术的近场集成光谱扫描技术，结合对应的校准和测试方式，实现了低温下对光纤和光学介质衬底的光谱校准，以及对超导材料和超导器件光学参数的精确测量。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0008]一种低温表征超导薄膜和器件光学参数的方法，包括：
[0009]步骤1：将两根光纤端面平行对准，并下压至两光纤的纤芯对准贴合；
[0010]步骤2：给其中一根光纤接入分束器，并在所述分束器的其中一个输入端接入一个可调功率的光源，调整光源的出射光波长，测量每种入射光波长下的该光纤的反射光功率以及另一根光纤的透射光功率，标定光纤光谱损耗；
[0011]步骤3：反应离子刻蚀形成光学介质薄膜衬底芯片，通过混合集成方式，探针切断芯片两端的薄膜支架，挑取器件转移至热释放胶表面，并倒装贴向所述接有光源的光纤端面；
[0012]步骤4：将另一根光纤端面平行对准贴有芯片的光纤端面，并下压至两光纤的纤芯对准贴合，打开光源，调整光源的出射光波长，测量每种入射光波长下的芯片
‑
光纤集成结构的反射功率以及对面支光纤的光透射功率，实现对光学介质薄膜衬底的光谱校准；
[0013]步骤5：通过集成混合方式将所述步骤1
‑
步骤4中的测量系统中的光学介质薄膜衬底芯片替换成超导器件，并进行低温下的光谱扫描以及固定入射光波长下的反射光功率和透射光功率的测量，将结果代入数值模型，即可精确标定超导器件的光学参数。
[0014]更进一步的，步骤1中，所述两根光纤型号相同，且均为单模光纤。
[0015]更进一步的，步骤2中，所述分束器的分光比为50:50。
[0016]更进一步的，步骤2中，所述光源的出射光波长的变化范围为由可调光源和光纤带宽决定。
[0017]更进一步地，步骤3中，在分束器的剩余两个端口以及空光纤的输出端分别接入一个光功率计，用以测量薄膜
‑
光纤集成结构的光入射功率、薄膜
‑
光纤集成结构的光纤光反射功率以及空光纤的透射光功率。
[0018]更进一步的，步骤3中，所述光学介质薄膜衬底芯片，厚度可以根据热氧化薄膜厚度调整，满足柔性条件且薄膜尺寸大于光纤线芯直径即可。
[0019]更进一步的，步骤3中，所述薄膜支架，指反应离子刻蚀所保护形成的氧化硅微桥，用以悬挂芯片。
[0020]更进一步的，步骤3中，所述芯片转移过程为：钨探针挑起器件芯片后，探针由静电力吸附芯片完成转移。
[0021]更进一步的，步骤3中，所述转移流程，包括芯片转移到透明的热释放胶PDMS(即二维材料转移热释放胶)上，再由携带有探测器的PDMS加压覆盖在单模光纤端面完成转移。
[0022]更进一步地，步骤3中，所述倒装贴合流程，包括通过可见光照明单模光纤形成光斑，在光学系统中移动光斑位置，转移PDMS上的芯片，对准其上的器件，即完成对准过程。
[0023]更进一步地，步骤3中，所述倒装贴合流程，贴合光学介质薄膜衬底芯片与单模光纤纤芯，排出空气，实现紧密贴合，确保避免光纤与器件之间的空气间隙层。
[0024]更进一步地，步骤5中，所述数值模型为：
[0025]当入射光输入所述测量系统时，器件的透射光谱和反射光谱可表示为
[0026][0027][0028]从而器件的吸收光谱可表示为
[0029]A(λ)＝1
‑
T(λ)
‑
R(λ)
[0030]在固定入射光波长为λ0后，可将λ0代入固定波长下器件的光学吸收率公式
[0031][0032]其中，w为纳米线宽度，d为纳米线厚度，c为真空中的光速，n为被测薄膜材料的折射率实部，k为被测薄膜材料的折射率虚部，r为单模光纤半径，E0是入射电场强度，E是纳米线中的电场强度，ε0是纳米线的介电常数，μ0是真空磁导率。
[0033]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0034]1、混合集成过程中，一次转移两次对准，完成了器件到单模光纤纤芯面的精准转移，实现了器件与光纤之间的近场耦合，避免了传统的光纤耦合型本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低温表征超导薄膜和器件光学参数的方法，其特征在于，包括：步骤1：将两根光纤端面平行对准，并下压至两光纤的纤芯对准贴合；步骤2：给其中一根光纤接入分束器，并在所述分束器的其中一个输入端接入一个光源，调整光源的出射光波长，测量每种入射光波长下的该光纤的反射光功率以及另一根光纤的透射光功率，标定光纤光谱损耗；步骤3：反应离子刻蚀形成光学介质薄膜衬底芯片，通过混合集成方式，探针切断芯片两端的薄膜支架，挑取器件转移至热释放胶表面，并倒装贴向所述接有光源的光纤端面，形成薄膜
‑
光纤集成结构；步骤4：将另一根光纤端面平行对准贴有芯片的光纤端面，并下压至两光纤的纤芯对准贴合，打开光源，调整光源的出射光波长，测量每种入射光波长下的芯片
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光纤集成结构的反射功率以及对面支光纤的光透射功率，对光学介质薄膜衬底进行光谱校准，完成倒装贴合流程；步骤5：通过集成混合方式将所述步骤1
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步骤4中的测量系统中的光学介质薄膜衬底芯片替换成超导器件，并进行低温下的光谱扫描以及固定入射光波长下的反射光功率和透射光功率的测量，将结果代入数值模型，即可精确标定超导器件的光学参数。2.根据权利要求1所述的一种低温表征超导薄膜和器件光学参数的方法，其特征在于，步骤1中，所述两根光纤为单模光纤或多模光纤，且型号相同，用于缩小对接损耗。3.根据权利要求1所述的一种低温表征超导薄膜和器件光学参数的方法，其特征在于，步骤2中，所述分束器的分光比为50:50。4.根据权利要求1所述的一种低温表征超导薄膜和器件光学参数的方法，其特征在于，步骤2中，所述光源的出...

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