CN106289515B - 一种带有自增益结构的超导纳米线单光子探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有自增益结构的超导纳米线单光子探测器，包括：作为光敏区的第一纳米线，还包括：作为自增益区的第二纳米线，第一与第二纳米线并联连接；第二与第一纳米线的宽度比值为N，N的取值大于1；第一纳米线用于探测光子，第二纳米线用于储存电流，实现对脉冲信号的放大；在第一与第二纳米线的并联支路上，串联第三纳米线，宽度为第一和第二纳米线的和；第二纳米线的长度用于控制第一和第二纳米线的电感比例，通过调节第二纳米线的长度，控制第一和第二纳米线的长度比例，进而控制电感比例，使第一和第二纳米线都处于高偏置电流的状态。第三纳米线用于增加支路总电感，通过控制第三纳米线长度控制支路总电感，以此防止热闭锁效应。
Description
技术领域
本发明涉及光电子器件领域，尤其涉及一种带有自增益结构的超导纳米线单光子探测器。
背景技术
超导纳米线单光子探测器(SNSPD)自2001年出现以来，已经成为超导电子学领域的一个热点研究方向。作为一种新型的单光子探测技术，SNSPD具有探测效率高、暗计数低、时域抖动小、计数率高、响应频谱宽、以及电路简单等优势。
时域抖动是SNSPD的重要性能指标，决定了SNSPD的时间分辨能力。比如，在时间分辨的荧光谱测量中，SNSPD的时域抖动决定了能够测量的最短荧光寿命；在基于时间-能量纠缠的高维量子密钥分发系统中，时域抖动影响一个光子中所能编码的比特数；在激光测距和光时域反射系统中，时域抖动影响测距精度或空间分辨率；在光子计数的通信系统中，时域抖动影响误码率。
为了减小时域抖动，通常的方法是增加偏置电流。由于超导纳米线的临界电流密度是一个定值，所以要增大偏置电流势必要增加纳米线的宽度；而增加纳米线的宽度就会降低超导纳米线单光子探测器的探测效率，因此在超导纳米线单光子探测器的时域抖动和探测效率之间存在矛盾。为此需要一种超导纳米线单光子探测器，可以在不牺牲探测效率的前提下减小时域抖动。
发明内容
本发明提供了一种带有自增益结构的超导纳米线单光子探测器，本发明在不牺牲探测效率的情况下，减小超导纳米线单光子探测器的时域抖动，详见下文描述：
一种带有自增益结构的超导纳米线单光子探测器，所述超导纳米线单光子探测器包括：作为光敏区的第一纳米线，所述超导纳米线单光子探测器还包括：
作为自增益区的第二纳米线，所述第一纳米线与所述第二纳米线并联连接；
所述第二纳米线与所述第一纳米线的宽度比值为N，N的取值大于1；
所述第一纳米线用于探测光子，所述第二纳米线用于储存电流，实现对脉冲信号的放大；
在所述第一纳米线与所述第二纳米线的并联支路上，串联第三纳米线，所述第三纳米线的宽度为第一和第二纳米线的和；
所述第二纳米线的长度用于控制第一和第二纳米线的电感比例，通过调节所述第二纳米线的长度，控制第一和第二纳米线的长度比例，进而控制电感比例，使第一和第二纳米线都处于高偏置电流的状态；
所述第三纳米线用于增加支路总电感，通过控制所述第三纳米线长度控制支路总电感，以此防止热闭锁效应。
第一纳米线吸收光子，被触发；第一纳米线的电流被分流到自增益区中；
第一纳米线和第二纳米线同时被触发，偏置电流都被分流到负载电阻上，获取到电压幅值比较大的脉冲；
随后第一纳米线和第二纳米线被冷却，恢复超导状态，偏置电流回流到第一纳米线和第二纳米线中，直到达到探测光子之前的状态。
所述第一纳米线为回型结构纳米线。
将所述第三纳米线的长度等效为串联电感的取值，所述串联电感的取值具体为：
令串联电感以10nH为单位取一系列值，分别代入到电热模型中进行仿真，然后挑出没有发生热闭锁效应、且电感值最小的串联电感，将最小的串联电感对应的电感值作为串联电感值。
本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明实施例通过将传统SNSPD的回型结构纳米线作为光敏区、和一根比传统SNSPD纳米线更粗的纳米线作为自增益区并联，同时串联一个更粗的纳米线，实现对SNSPD信号的自增益，并降低SNSPD的时域抖动；通过设计串联纳米线的长度，控制支路总电感，防止热闭锁效应。本发明实施例在不牺牲探测效率的情况下，减小了超导纳米线单光子探测器的时域抖动，满足了实际应用中的多种需要。
附图说明
图1为带有自增益结构的超导纳米线单光子探测器的电路示意图；
图2为电流自增益结构SNSPD纳米线形状扫描电子显微镜照片；
图3为不同宽度的电流自增益结构产生脉冲仿真结果示意图；
图4为电流自增益结构产生脉冲上升沿时间与自增益区宽度关系示意图；
图5为电流自增益结构产生脉冲恢复时间与自增益区宽度关系示意图；
图6为上升沿幅度的一半处的斜率与自增益区宽度关系示意图；
图7为电流自增益结构产生脉冲的幅度与自增益区宽度关系示意图。
附图中，各部件代表的列表如下：
1：第一纳米线(作为光敏区)；2：第二纳米线(作为自增益区)；
3：第三纳米线(作为串联电感Ls)。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
带有自增益结构的超导纳米线单光子探测器(SNSPD)的电路示意图如图1所示，纳米线形状如图2所示。
本发明实施例通过将传统SNSPD的回型结构纳米线(即为第一纳米线1，作为光敏区)、和一根比传统SNSPD纳米线更粗的纳米线(即为第二纳米线2，作为自增益区)并联，同时串联一个更粗的纳米线(即为第三纳米线3，第三纳米线3的宽度为第一纳米线1与第二纳米线2的和，实现对SNSPD信号的自增益，并降低SNSPD的时域抖动。通过设计串联纳米线(即第三纳米线3的长度等效为串联电感Ls的电感值)的长度，控制支路总电感，防止热闭锁效应。
带有自增益结构的SNSPD探测光子的物理过程是：光敏区的第一纳米线1吸收光子，从而被触发；光敏区的第一纳米线1的电流被分流到自增益区中，令自增益区被触发；第一纳米线1和第二纳米线2同时被触发，它们的偏置电流都被分流到负载电阻Z0上，得到一个电压幅值比较大的脉冲；随后第一纳米线1和第二纳米线2被冷却，恢复超导状态，偏置电流回流到第一纳米线1和第二纳米线2中，直到达到探测光子之前的状态；之后再探测下一个光子，以此类推。
带有自增益结构的超导纳米线单光子探测器把光敏区和自增益区完全分开，只有第一纳米线1需要探测光子，自增益的第二纳米线2部分只用来储存电流，实现对SNSPD产生的脉冲信号放大。由于光敏区的第一纳米线1的宽度无需增加，因此探测效率不会降低。所以带有自增益结构的第二纳米线2可以在不牺牲吸收效率的前提下增加输出脉冲幅度。又由于脉冲幅度增加导致脉冲上升沿的斜率变大，因此超导纳米线单光子探测器的时域抖动会降低。
第一纳米线1表示一根比较细的纳米线，用来探测光子；自增益部分，即第二纳米线2表示与第一纳米线1并联的电流自增益区，这个区域不需要感光，可以做的很粗，来承载很大的电流；Ls是串联电感，用于增大这个结构的电响应时间，防止热闭锁效应。N表示自增益区和光敏区的纳米线宽度的比值(即第二纳米线2与第一纳米线1宽度的比值)。
具体实现时，N的取值根据实际应用中的需要进行设定，通常N的取值不能取太小也不能太大，若N太小的话，无法实现脉冲信号的显著放大，若N太大的话，需要串联的电感也要更大，由于串联电感Ls具有隔交流信号的作用，太大的串联电感Ls会导致偏置电流无法从负载电阻Z0回流到第一纳米线1和第二纳米线2中。
首先，为了保证光敏区的第一纳米线1、以及自增益部分的第二纳米线2线都能触发，需要第一纳米线1和第二纳米线2都偏置在临界电流附近。实际应用时，由于纳米线的电感和电阻一样，会对总的偏置电流进行分流，所以当N确定之后，需要通过调整第一纳米线1和第二两根纳米线2的长度比例(即通过增加第三纳米线3)来调整第一纳米线1和第二纳米线2的电感比例，从而调整第一纳米线1和第二纳米线2的偏置电流比例，使第一纳米线1和第二纳米线2都处于高偏置电流的状态。这是本发明实施例独创的结构。
接下来就要设计串联电感Ls(即，将第三纳米线3的长度等效为串联电感Ls的电感值)的值，防止热闭锁效应。如果电流回流的过快，会导致光敏区的第一纳米线1、和自增益区的第二纳米线2产生大量电阻热。第一纳米线1和第二纳米线2持续被加热，与纳米线的热扩散形成热平衡，导致第一纳米线1和第二纳米线2不能被冷却，恢复超导状态，无法探测下一个光子，这就是热闭锁效应。
为了防止热闭锁效应，需要串联一个电感Ls，阻碍电流回流，使得第一纳米线1和第二纳米线2有充分的时间被冷却回超导状态。但如果串联电感Ls过大，会导致电流回流过慢，所以探测器就需要花很长的时间才能恢复到探测之前的状态并探测下一个光子，会增加探测器的响应时间。
为了找到一个合适的串联电感值，需要令串联电感Ls以10nH为单位取一系列值，分别代入到电热模型中进行仿真，然后挑出没有发生热闭锁效应、且电感值最小的串联电感，将最小的串联电感对应的电感值作为设计中使用的串联电感值。
其中，电热模型为本领域技术人员所公知，本发明实施例对此不做赘述。
综上所述，本发明实施例在不牺牲探测效率的情况下，减小了超导纳米线单光子探测器的时域抖动，满足了实际应用中的多种需要。
实施例2
电流自增益结构的超导纳米线单光子探测器的部分加工流程如下：
1、清洗衬底；
2、磁控溅射4-6mm的NbN(氮化铌)薄膜；
3、将两英寸的衬底切成1cm×1cm的小片子；
4、光刻电极和对准标记
1)清洗片子(丙酮+酒精+去离子水)；
2)甩胶(NR9-3000PY(光刻胶)，预甩588rpm，10s，正式甩2940rpm，50s)；
3)前烘(120℃，5min)；
4)曝光(测试dose matrix(曝光剂量测试方法)之后)；
5)中烘(95℃，3min)；
6)显影(RD6(显影液))，定影(去离子水)。
5、电子束曝光纳米线+纳米线刻蚀
1)甩胶(HSQ(电子束曝光胶)，预甩588rpm，10s，正式甩3528rpm，100s)；
2)前烘(90℃，1min)；
3)电子束曝光(测试dose matrix之后)；
4)显影(TMAH(显影液)，90s)，定影(流动的去离子水)；
刻蚀纳米线(RIE(反应离子束刻蚀))。
由于带有自增益结构的SNSPD可以把SNSPD的信号放大16倍以上，此功能相当于一个外电路的信号放大器，因此自增益的纳米线结构可以替代外电路的放大器，减小由放大器引入的噪声。由于时域抖动随着信号上的噪声的减少而减少，因此替代掉外电路放大器可以进一步降低时域抖动。
其中，本发明实施例仅给出了电流自增益结构的超导纳米线单光子探测器的部分加工流程，具体的加工过程为本领域技术人员所公知，本发明实施例对此不做赘述。
实施例3
本发明实施例用电热模型仿真了电流自增益结构的超导纳米线单光子探测器的脉冲波形，并对不同宽度的电流自增益结构的超导纳米线单光子探测器进行了比较分析，电热模型仿真结果如下：
由图3到图6可以看出，随着自增益区宽度的增加，尽管脉冲的上升时间和恢复时间都越来越大，但是在上升沿一半处的斜率不仅没有减小，反而在不断增大。对于相同的噪声幅度，上升沿一半对应的斜率越大，时域抖动越小。因此具有自增益结构的SNSPD可以降低时域抖动，验证了本方法的可行性。
由图7以看出，电流自增益结构的超导纳米线单光子探测器输出脉冲幅度，基本和自增益区(第二纳米线2)宽度呈正比关系，当自增益区宽度为1.5微米时，由于第一纳米线1的宽度是100nm，所以两根纳米线的宽度变为1.6微米，是标准超导纳米线单光子探测器宽度的16倍，因此偏置电流扩大16倍，输出脉冲幅度达到标准超导纳米线单光子探测器的脉冲幅度的16倍。若再增加自增益区的宽度，可以预见，带有自增益结构的SNSPD的脉冲幅度的放大倍数还可以超过16倍。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种带有自增益结构的超导纳米线单光子探测器，所述超导纳米线单光子探测器包括：作为光敏区的第一纳米线，所述超导纳米线单光子探测器还包括：
作为自增益区的第二纳米线，所述第一纳米线与所述第二纳米线并联连接；
所述第一纳米线用于探测光子，所述第二纳米线用于储存电流，实现对脉冲信号的放大；
在所述第一纳米线与所述第二纳米线的并联支路上，串联第三纳米线，其特征在于，
所述第二纳米线与所述第一纳米线的宽度比值为N，N的取值大于1；
所述第三纳米线的宽度为第一纳米线和第二纳米线的宽度和；
所述第二纳米线的长度用于控制第一和第二纳米线的电感比例，通过调节所述第二纳米线的长度，控制第一和第二纳米线的长度比例，进而控制电感比例，使第一和第二纳米线都处于高偏置电流的状态；
所述第三纳米线用于增加支路总电感，通过控制所述第三纳米线长度控制支路总电感，以此防止热闭锁效应。
2.根据权利要求1所述的一种带有自增益结构的超导纳米线单光子探测器，其特征在于，第一纳米线吸收光子，被触发；第一纳米线的电流被分流到自增益区中；
第一纳米线和第二纳米线同时被触发，偏置电流都被分流到负载电阻上，获取到电压幅值比较大的脉冲；
随后第一纳米线和第二纳米线被冷却，恢复超导状态，偏置电流回流到第一纳米线和第二纳米线中，直到达到探测光子之前的状态。
3.根据权利要求1所述的一种带有自增益结构的超导纳米线单光子探测器，其特征在于，所述第一纳米线为回型结构纳米线。
4.根据权利要求1所述的一种带有自增益结构的超导纳米线单光子探测器，其特征在于，将所述第三纳米线的长度等效为串联电感的取值，所述串联电感的取值具体为：
令串联电感以10nH为单位取一系列值，分别代入到电热模型中进行仿真，然后挑出没有发生热闭锁效应、且电感值最小的串联电感，将最小的串联电感对应的电感值作为串联电感值。
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