CN103840035B - 降低纳米线单光子探测器件非本征暗计数的方法及器件 - Google Patents

降低纳米线单光子探测器件非本征暗计数的方法及器件 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种降低超导纳米线单光子探测器件非本征暗计数的方法及器件，包括步骤：于所述超导纳米线单光子探测器件上集成多层薄膜滤波器；其中，所述多层薄膜滤波器为通过多层介质薄膜实现的具有带通滤波功能的器件。所述非本征暗计数为由于光纤黑体辐射及外界杂散光触发的暗计数。所述超导纳米线单光子探测器件包括：衬底，其上下表面分别结合上抗反射层和下抗反射层；光学腔体结构；超导纳米线；以及反射镜。本发明操作简单，仅需在超导纳米线单光子探测器件（SNSPD）的衬底上集成多层薄膜滤波器，将非信号辐射过滤掉，该方法可以在保证信号辐射和器件的光耦合效率的同时，有效降低非本征暗计数，从而提高器件在特定暗计数条件下的探测效率。

Description

降低纳米线单光子探测器件非本征暗计数的方法及器件
技术领域
本发明属于光探测技术领域，特别是涉及一种降低超导纳米线单光子探测器件非本征暗计数的方法及器件。
背景技术
超导纳米线单光子探测器件（SuperconductingNanowireSinglePhotonDetector，SNSPD）是一种重要的光探测器，可以实现从可见光到红外波段的单光子探测。SNSPD主要采用低温超导超薄薄膜材料，比如NbN、Nb、TaN、NbTiN、WSi等。典型厚度约为5-10nm，器件通常采用100nm左右宽度的曲折纳米线结构。现有的一种超导纳米线单光子探测器件结构如图1所示，其包括上下表面均具有抗反射层的衬底20～40、光学腔体结构50、超导纳米线60、以及反射镜70等。
SNSPD工作时置于低温环境中（<4K），器件处于超导态，并加以一定的偏置电流Ib，Ib略小于器件临界电流Ic。当单个光子入射到器件中的纳米线条上时，会拆散库珀对，形成大量的热电子，从而形成局域热点，热点在偏置电流Ib的作用下由于焦耳热进行扩散，最终使得纳米线条局部失超形成有阻区。之后热电子能量通过电声子相互作用传递并弛豫，再重新配对成超导态的库珀对。由于超导材料的热弛豫时间很短，因此当SNSPD接收到单个光子后，就会在器件两端产生一个快速的电脉冲信号，从而实现单光子的探测功能。
暗计数是单光子探测器的主要参数之一。它是指与信号光子无关的错误计数。SNSPD暗计数的来源包括两个方面。一个是SNSPD纳米线磁通涡旋运动引起的暗计数，这部分被称为本征暗计数。本征暗计数和器件工作电流有关，仅在工作电流非常接近临界电流时才产生，且计数率和偏置电流呈指数关系。其它非信号光子触发的SNSPD计数被统称非本征暗计数。包括以下几个可能：（1）光纤材料本身的热辐射引入的暗计数；（2）SNSPD在工作时，工作环境各种光（热）辐射会有少量透过光纤包覆层进入光纤作为杂散光触发SNSPD计数。非本征暗计数可等效为一定量的光子辐射，其引入的暗计数和探测器的探测效率成正比。暗计数对于很多单光子探测应用至关重要。特别是对于长距离光纤量子通信来说，暗计数的水平，是决定其成码信噪比以及通信距离的关键参数。目前尚没有根本解决本征暗计数的有效办法，通常采用降低SNSPD偏置电流的手段。在这种条件下，非本征暗计数就起到了决定性的影响。日本Shibata等人提出了低温下在光纤中引入光纤滤波器的方法，可以有效的降低非本征暗计数。但是同时也对信号光产生了明显的衰减（约3dB），直接影响了器件的探测效率。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种降低超导纳米线单光子探测器件非本征暗计数的方法及器件，用于解决现有技术中由于非本征暗计数而导致纳米线单光子探测器件性能下降的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种降低超导纳米线单光子探测器件非本征暗计数的方法，包括步骤：
于所述超导纳米线单光子探测器件上集成多层薄膜滤波器；
其中，所述多层薄膜滤波器为通过多层介质薄膜实现的具有带通滤波功能的器件。
作为本发明的降低超导纳米线单光子探测器件非本征暗计数的方法的一种优选方案，所述非本征暗计数为由于光纤黑体辐射及外界杂散光触发的暗计数。
作为本发明的降低超导纳米线单光子探测器件非本征暗计数的方法的一种优选方案，所述超导纳米线单光子探测器件包括：
衬底，结合于所述多层薄膜滤波器表面，所述衬底的上下表面分别结合有上抗反射层及下抗反射层；
光学腔体结构，结合于所述衬底的上抗反射层表面；
超导纳米线，结合于所述衬底的上抗反射层与光学腔体结构之间；
反射镜，结合于所述光学腔体结构表面。
进一步地，所述衬底为硅衬底、MgO衬底或蓝宝石衬底，所述光学腔体结构的材料为二氧化硅或一氧化硅，所述上抗反射层、下抗反射层的材料为二氧化硅或一氧化硅，所述超导纳米线的材料为NbN、Nb、TaN、NbTiN或WSi，所述反射镜的材料为Ag、Au或Al等。
作为本发明的降低超导纳米线单光子探测器件非本征暗计数的方法的一种优选方案，所述多层薄膜滤波器包括交替层叠的二氧化硅层及硅层、交替层叠的一氧化硅层及硅层或交替层叠的二氧化硅层及一氧化硅层中的一种。
本发明还提供一种集成多层薄膜滤波器的超导纳米线单光子探测器件，包括：
超导纳米线单光子探测器件；
多层薄膜滤波器，集成于所述超导纳米线单光子探测器件，所述多层薄膜滤波器为通过多层介质薄膜实现的具有带通滤波功能的器件。
作为本发明的集成多层薄膜滤波器的超导纳米线单光子探测器件的一种优选方案，所述超导纳米线单光子探测器件包括：
衬底，结合于所述多层薄膜滤波器表面，所述衬底的上下表面分别结合有上抗反射层及下抗反射层；
光学腔体结构，结合于所述衬底的上抗反射层表面；
超导纳米线，结合于所述衬底的上抗反射层与光学腔体结构之间；
反射镜，结合于所述光学腔体结构表面。
作为本发明的集成多层薄膜滤波器的超导纳米线单光子探测器件的一种优选方案，所述衬底为硅衬底、MgO衬底、蓝宝石衬底，所述光学腔体结构的材料为二氧化硅或一氧化硅，所述上抗反射层、下抗反射层的材料为二氧化硅或一氧化硅，所述超导纳米线的材料为NbN、Nb、TaN、NbTiN或WSi，所述反射镜的材料为Ag、Au或Al等。
作为本发明的集成多层薄膜滤波器的超导纳米线单光子探测器件的一种优选方案，所述多层薄膜滤波器包括交替层叠的二氧化硅层及硅层、交替层叠的一氧化硅层及硅层、及交替层叠的二氧化硅层及一氧化硅层中的一种。
如上所述，本发明提供一种降低超导纳米线单光子探测器件非本征暗计数的方法及器件，包括步骤：于所述超导纳米线单光子探测器件上集成多层薄膜滤波器；其中，所述多层薄膜滤波器为通过多层介质薄膜实现的具有带通滤波功能的器件。所述非本征暗计数为由于光纤黑体辐射及外界杂散光触发的暗计数。所述超导纳米线单光子探测器件包括：衬底，结合于所述多层薄膜滤波器表面，所述衬底的上下表面分别结合有上抗反射层及下抗反射层；光学腔体结构，结合于所述衬底的上抗反射层表面；超导纳米线，结合于所述衬底的上抗反射层与光学腔体结构之间；反射镜，结合于所述光学腔体结构表面。本发明操作简单，仅需在超导纳米线单光子探测器件（SNSPD）的衬底上集成多层薄膜滤波器，将非信号辐射过滤掉，该方法可以在保证信号辐射和器件的光耦合效率的同时，有效降低非本征暗计数，从而提高器件在特定暗计数条件下的探测效率。
附图说明
图1显示为现有的一种超导纳米线单光子探测器件的结构示意图。
图2显示为本发明的集成多层薄膜滤波器的超导纳米线单光子探测器件的结构示意图。
图3显示为现有结构的SNSPD（normalstructure）及本发明的集成多层薄膜滤波器的超导纳米线单光子探测器件的SNSPD（filter）理论上的波长-耦合效率曲线图，其中，图中的插图为1550nm波长处的放大图。
图4显示为现有结构的SNSPD（normalstructure）及本发明具有多层薄膜滤波器的SNSPD（filter）实际测试中的波长-透射率曲线图，其中，图中的插图为1550nm波长处的放大图。
图5为现有结构SNSPD器件（normalstructure）的偏置电流-耦合效率以及偏置电流-暗计数示意图。
图6为本实施例的集成多层薄膜滤波器的超导纳米线单光子探测器件的偏置电流-耦合效率以及偏置电流-暗计数示意图图。
元件标号说明
10多层薄膜滤波器
101二氧化硅层
102硅层
20衬底
30下抗反射层
40上抗反射层
50光学腔体结构
60超导纳米线
70反射镜
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，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发明的其他优点与功效。本发明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，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1～图6。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发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明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、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
如图1～2所示，本实施例提供一种降低超导纳米线单光子探测器件非本征暗计数的方法，包括步骤：
于所述超导纳米线单光子探测器件上集成多层薄膜滤波器10；
其中，所述多层薄膜滤波器10为通过多层介质薄膜实现的具有带通滤波功能的器件。
作为示例，所述非本征暗计数为由于光纤黑体辐射及外界杂散光等原因所触发的暗计数。
作为示例，所述超导纳米线单光子探测器件包括：
衬底20，结合于所述多层薄膜滤波器10表面，所述衬底20的上下表面分别结合有上抗反射层40及下抗反射层30；
光学腔体结构50，结合于所述衬底20的上抗反射层40表面；
超导纳米线60，结合于所述衬底20的上抗反射层40与光学腔体结构50之间；
反射镜70，结合于所述光学腔体结构50表面。
进一步地，所述光学腔体结构50的材料为二氧化硅或一氧化硅，上抗反射层40及下抗反射层30为二氧化硅，所述衬底20为硅衬底、MgO衬底、蓝宝石衬底，所述上抗反射层40、下抗反射层30的材料为二氧化硅或一氧化硅，所述超导纳米线60的材料为NbN、Nb、TaN、NbTiN或WSi，所述反射镜70的材料为Ag、Au或Al等。当然，上述的几种示例仅为本发明的几种优选的方案，在其它的实施例中，其它的材料类型也可能适用，因此，并不限定于以上所列举的几种示例。
在本实施例中，所述光学腔体结构50的材料为一氧化硅，其厚度为器件所探测的光的波长的四分之一。
所述超导纳米线60的材料为NbN，其宽度为100纳米，厚度为7纳米，周期为200纳米，并且，所述超导纳米线60呈曲折蜿蜒结构。当然，在其它的实施例中，所述超导纳米线60的材料、尺寸和形状均可依据实际需求进行改变，并不限于此处所列举的情况。
所述反射镜70的材料为Ag，其厚度为130纳米。当然，其它种类的反射材料及厚度也适用于本发明，并不限定于此。另外，上述的超导纳米线单光子探测器件仅为本实施例的一种优选方式，本实施例的多层薄膜滤波器10对其它结构的超导纳米线单光子探测器件同样适用。
作为示例，所述多层薄膜滤波器10包括交替层叠的二氧化硅层101及硅层102、交替层叠的一氧化硅层及硅层或交替层叠的二氧化硅层及一氧化硅层中的一种。在本实施例中，所述多层薄膜滤波器10包括交替层叠的二氧化硅层101及硅层102，并且，一共具有16层二氧化硅层101及16层硅层102，为共32层的多层薄膜。当然，在其它的实施例中，其它种类的具有带通滤波功能的多层薄膜均可适用。
如图2所示，本实施例还提供一种集成多层薄膜滤波器10的超导纳米线单光子探测器件，包括：
超导纳米线单光子探测器件；
多层薄膜滤波器10，集成于所述超导纳米线单光子探测器件，所述多层薄膜滤波器10为通过多层介质薄膜实现的具有带通滤波功能的器件。
作为示例，所述超导纳米线单光子探测器件包括：
衬底20，结合于所述多层薄膜滤波器10表面，所述衬底20的上下表面分别结合有上抗反射层40及下抗反射层30；
光学腔体结构50，结合于所述衬底20的上抗反射层40表面；
超导纳米线60，结合于所述衬底20的上抗反射层40与光学腔体结构50之间；
反射镜70，结合于所述光学腔体结构50表面。
进一步地，所述光学腔体结构50的材料为二氧化硅或一氧化硅，所述衬底20为硅衬底、MgO衬底、蓝宝石衬底，所述上抗反射层40、下抗反射层30的材料为二氧化硅或一氧化硅，所述超导纳米线60的材料为NbN、Nb、TaN、NbTiN或WSi，所述反射镜70的材料为Ag、Au或Al等。当然，上述的几种示例仅为本发明的几种优选的方案，在其它的实施例中，其它的材料类型也可能适用，因此，并不限定于以上所列举的几种示例。
在本实施例中，所述光学腔体结构50的材料为一氧化硅，其厚度为器件所探测的光的波长的四分之一。
所述超导纳米线60的材料为NbN，其宽度为100纳米，厚度为7纳米，周期为200纳米，并且，所述超导纳米线60呈曲折蜿蜒结构。当然，在其它的实施例中，所述超导纳米线60的材料、尺寸和形状均可依据实际需求进行改变，并不限于此处所列举的情况。
所述反射镜70的材料为Ag，其厚度为130纳米。当然，其它种类的反射材料及厚度也适用于本发明，并不限定于此。另外，上述的超导纳米线单光子探测器件仅为本实施例的一种优选方式，本实施例的多层薄膜滤波器10对其它结构的超导纳米线单光子探测器件同样适用，并不限定于此处所列举的几种。
作为示例，所述多层薄膜滤波器10包括交替层叠的二氧化硅层101及硅层102、交替层叠的一氧化硅层及硅层或交替层叠的二氧化硅层及一氧化硅层中的一种。在本实施例中，所述多层薄膜滤波器10包括交替层叠的二氧化硅层101及硅层102，并且，一共具有16层二氧化硅层101及16层硅层102，为共32层的多层薄膜。当然，在其它的实施例中，其它种类的具有带通滤波功能的多层薄膜均可适用，并不限定于此处所列举的几种。
另外，如图3～图6所示，本实施例对本发明所述集成多层薄膜滤波器10的超导纳米线单光子探测器件进行了如下性能测试：
1）本实施例的多层薄膜滤波器10对器件效率的影响。
在本实施例中采用的多层薄膜滤波器10包括交替层叠的二氧化硅层101及硅层102，并且，一共具有16层二氧化硅层101及16层硅层102，为共32层的多层薄膜，得到如图2所示的多层薄膜结构。其中硅和二氧化的折射率分别为3.56和1.47。传统的超导纳米线60单光子探测器（SNSPD）为了提高光在所需要波段通常会在衬底底部沉积抗反射层，但由于折射率匹配问题，仍然会有部分光损耗。图3显示为普通SNSPD（normalstructure）及本发明具有多层薄膜滤波器10的SNSPD（filter）理论上的波长-耦合效率曲线图。如图3所示，通过本实施例的多层薄膜，理论上几乎可以实现100%的光耦合到器件中，同时将其余频率的光过滤掉，抑制外部背景光对器件的影响。图4显示为普通SNSPD（normalstructure）及本发明具有多层薄膜滤波器10的SNSPD（filter）实际测试中的波长-透射率曲线图。由图4可见，比于普通结构，本实施例设计的多层薄膜滤波器10件在1550nm处较好的通带效果。对于器件的探测效率，由于每个器件的探测效率存在一定的分布，无法对探测效率进行直接比较。但是通过图4结果可以看出，相比于普通双面氧化衬底，多层薄膜结构能够有效提高在设计波段的耦合效率，从而提升器件的量子效率。
2）在SNSPD器件上集成多层薄膜滤波器10对暗计数的影响。
在SNSPD器件上集成多层薄膜滤波器10，实现如图2所示的SNSPD器件。在偏置电流较低的情况下，暗计数受到很好的抑制，如图5～图6所示。其中，图5为普通结构SNSPD器件（normalstructure）的偏置电流-耦合效率以及偏置电流-暗计数示意图。图6为本实施例所述集成多层薄膜滤波器10的超导纳米线单光子探测器件的偏置电流-耦合效率以及偏置电流-暗计数示意图图。两图相比较可以看出，对于在偏置电流相对较低的情况下，本实施例的集成多层薄膜滤波器10的超导纳米线单光子探测器件相比于普通结构SNSPD器件的暗计数受到很好的抑制。
如上所述，本发明提供一种降低超导纳米线单光子探测器件非本征暗计数的方法及器件，包括步骤：于所述超导纳米线单光子探测器件上集成多层薄膜滤波器10；其中，所述多层薄膜滤波器10为通过多层介质薄膜实现的具有带通滤波功能的器件。所述非本征暗计数为由于光纤黑体辐射及外界杂散光触发的暗计数。所述超导纳米线单光子探测器件包括：衬底20，结合于所述多层薄膜滤波器10表面，所述衬底20的上下表面分别结合有上抗反射层40及下抗反射层30；光学腔体结构50，结合于所述衬底20的上抗反射层40表面；超导纳米线60，结合于所述衬底20的上抗反射层40与光学腔体结构50之间；反射镜70，结合于所述光学腔体结构50表面。本发明操作简单，仅需在超导纳米线单光子探测器件（SNSPD）的衬底上集成多层薄膜滤波器，将非信号辐射过滤掉，该方法可以在保证信号辐射和器件的光耦合效率的同时，有效降低非本征暗计数，从而提高器件在特定暗计数条件下的探测效率。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种降低超导纳米线单光子探测器件非本征暗计数的方法，其特征在于，包括步骤：
于所述超导纳米线单光子探测器件上集成多层薄膜滤波器；
其中，所述多层薄膜滤波器为通过多层介质薄膜实现的具有带通滤波功能的器件。
2.根据权利要求1所述的降低超导纳米线单光子探测器件非本征暗计数的方法，其特征在于：所述非本征暗计数为由于光纤黑体辐射及外界杂散光触发的暗计数。
3.根据权利要求1所述的降低超导纳米线单光子探测器件非本征暗计数的方法，其特征在于，所述超导纳米线单光子探测器件包括：
衬底，结合于所述多层薄膜滤波器表面，所述衬底的上下表面分别结合有上抗反射层及下抗反射层；
光学腔体结构，结合于所述衬底的上抗反射层表面；
超导纳米线，结合于所述衬底的上抗反射层与光学腔体结构之间；
反射镜，结合于所述光学腔体结构表面。
4.根据权利要求3所述的降低超导纳米线单光子探测器件非本征暗计数的方法，其特征在于：所述衬底为硅衬底、MgO衬底、蓝宝石衬底，所述光学腔体结构的材料为二氧化硅或一氧化硅，所述上抗反射层、下抗反射层的材料为二氧化硅或一氧化硅，所述超导纳米线的材料为NbN、Nb、TaN、NbTiN或WSi，所述反射镜的材料为Ag、Au或Al。
5.根据权利要求1所述的降低超导纳米线单光子探测器件非本征暗计数的方法，其特征在于：所述多层薄膜滤波器包括交替层叠的二氧化硅层及硅层、交替层叠的一氧化硅层及硅层或交替层叠的二氧化硅层及一氧化硅层中的一种。
6.一种降低非本征暗计数的超导纳米线单光子探测器件，其特征在于，包括：
超导纳米线单光子探测器件；
多层薄膜滤波器，集成于所述超导纳米线单光子探测器件，所述多层薄膜滤波器为通过多层介质薄膜实现的具有带通滤波功能的器件。
7.根据权利要求6所述的降低非本征暗计数的超导纳米线单光子探测器件，其特征在于：所述超导纳米线单光子探测器件包括：
衬底，结合于所述多层薄膜滤波器表面，所述衬底的上下表面分别结合有上抗反射层及下抗反射层；
光学腔体结构，结合于所述衬底的上抗反射层表面；
超导纳米线，结合于所述衬底的上抗反射层与光学腔体结构之间；
反射镜，结合于所述光学腔体结构表面。
8.根据权利要求7所述的降低非本征暗计数的超导纳米线单光子探测器件，其特征在于：所述衬底为硅衬底、MgO衬底、蓝宝石衬底，所述光学腔体结构的材料为二氧化硅或一氧化硅，所述上抗反射层、下抗反射层的材料为二氧化硅或一氧化硅，所述超导纳米线的材料为NbN、Nb、TaN、NbTiN或WSi，所述反射镜的材料为Ag、Au或Al。
9.根据权利要求6所述的降低非本征暗计数的超导纳米线单光子探测器件，其特征在于：所述多层薄膜滤波器包括交替层叠的二氧化硅层及硅层、交替层叠的一氧化硅层及硅层、及交替层叠的二氧化硅层及一氧化硅层中的一种。
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