CN110057446A - 一种具有宽光谱范围和大量程范围的光功率计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有宽光谱范围和大量程范围的光功率计，所述光功率计包括：光子超导集成回路探测器，所述光子超导集成回路探测器由超导纳米线阵列与光波导组成，超导纳米线阵列位于光波导一侧，超导纳米线阵列中的每一个纳米线与光波导的间隔距离不同，沿光在光波导中的传播方向，每一个纳米线与光波导的间隔距离逐渐缩小。本发明将探测器应用于光功率计，从根本上拓宽光功率计的可测量波长范围与可测量功率范围，可被广泛应用于各个光学测量领域。

Description

一种具有宽光谱范围和大量程范围的光功率计

技术领域

本发明涉及光电子器件领域，尤其涉及一种具有宽光谱范围和大量程范围的光功率计。

背景技术

光功率计常用于光学工业检测与科学研究领域。目前市场上常见的光功率计主要有两种：光电二极管式和热电式。对于光电二极管式光功率计，其光功率分辨力为纳瓦，但可测量的光谱较窄，只能覆盖从紫外到近红外的波长范围，且单个光功率计的光谱更窄；对于热电式光功率计，其可以测量从紫外到中红外的波长范围，但光功率分辨力较低，最小测量功率为几个微瓦。

光子超导集成回路相比于传统的探测器具有更宽的波长响应范围，更精确的时间分辨能力，更高的信噪比，例如：超导转换边沿探测器、超导纳米线单光子探测器。超导纳米线单光子探测器(SNSPD)是21世纪新兴的一种单光子探测器，具有响应速度快、探测效率高、暗计数率低、时域抖动小、光谱响应范围宽的众多优点，已在量子密钥分发、生物医学成像、激光测距等领域得到广泛应用。

现有技术中的光功率计的测量功率范围和测量光谱范围受到一定的限制，光功率分辨能力高的光电二极管式光功率计测量光谱范围窄，测量光谱范围宽的热电式光功率计受限于较低的光功率分辨能力。

发明内容

本发明提供了一种具有宽光谱范围和大量程范围的光功率计，本发明将光子超导集成回路探测器应用于光功率计，从根本上拓宽光功率计的可测量波长范围与可测量功率范围，可被广泛应用于各个光学测量领域，详见下文描述：

一种具有宽光谱范围和大量程范围的光功率计所述光功率计包括：光子超导集成回路探测器，所述光子超导集成回路探测器由超导纳米线阵列与光波导组成，

超导纳米线阵列位于光波导一侧，超导纳米线阵列中的每一个纳米线与光波导的间隔距离不同，沿光在光波导中的传播方向，每一个纳米线与光波导的间隔距离逐渐缩小。

具体实现时，工作在SNSPD光子计数模式时，光功率计还包括：单模光纤、光纤聚焦器、闭循环制冷机、同轴电缆、低噪声放大器、低噪声直流电压源、T型偏置器、以及脉冲计数器。

具体实现时，工作在单调关系模式时，光功率计还包括：单模光纤、光纤聚焦器、闭循环制冷机、同轴电缆、低噪声直流电压源、电压/电流源表。

优选地，根据超导纳米线所在位置的光强，再通过光波导所决定的归一化光强曲线计算得到输入光波导的光功率；

再通过已知的耦合效率计算得到待测光的总光功率值。

其中，工作在SNSPD光子计数模式时，需要校准的参数如下：不同波长下光纤聚焦器与光波导的耦合效率、光波导的内外光强归一化曲线、确定偏置电流下SNSPD不同波长所对应的效率。

进一步地，工作在单调关系模式时，需要校准的参数如下：不同波长下光纤聚焦器与光波导的耦合效率、光波导内外光强归一化曲线、超导纳米线临界电流随光功率变化曲线。

其中，所述光功率计的制备方法包括：

通过电子束曝光将波导图形转移到电子束曝光胶上，利用电子束曝光胶作为掩模，用反应离子束刻蚀波导图形；

用磁控溅射的方式在光波导及波导衬底上溅射一层氮化钛铌材料；

通过电子束曝光纳米线图形转移到电子束曝光胶上，利用电子束曝光胶作为掩模，用反应离子束刻蚀纳米线图形；

通过光刻-电子束蒸发-剥离，在超导薄膜上沉积与纳米线图形对准的电学连接电极。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明同时具有超宽的测量光谱范围和超大的测量功率范围，光谱测量范围从紫外波段至中红外波段；

2、本发明的光功率分辨能力可达单光子量级，可测光功率范围从单光子量级至千瓦，将大大拓宽光功率计的使用范围，可被广泛应用于各个与光学测量有关的领域。

附图说明

图1为光子超导集成回路探测器的结构示意图；

其中，光波导为条形波导，所用材料为硅，硅波导厚度为600nm，厚度为200nm；氧化层为二氧化硅，厚度为3μm；超导纳米线阵列位于氧化层之上，硅波导一侧；金电极位于超导纳米线两端，“+”表示正极，“-”表示负极；衬底材料为硅，厚度在5μm。

图2为光波导的归一化光功率分布图；

其中，(a)为仿真光波导结构示意图，硅波导厚度为600nm，厚度为200nm，氧化层为二氧化硅，厚度为3m；(b)为光波导整体归一化光强分布图；(c)为光波导外侧归一化光强分布图。

图3为一种具有宽光谱范围和大量程范围的光功率计在模式一的结构示意图；

图4为一种具有宽光谱范围和大量程范围的光功率计在模式二的结构示意图；

图5为超导纳米线工作在模式二的原理示意图；

图6为超导纳米线工作在模式一时，计数率随光功率的变化曲线示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：光子超导集成回路探测器； 2：单模光纤；

3：光纤聚焦器； 4：闭循环制冷机；

5：同轴电缆； 6：低噪声放大器；

7：低噪声直流电压源； 8：T型偏置器；

9：脉冲计数器； 10：电压/电流源表。

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。

一种具有宽光谱范围和大量程范围的光功率计，参见图1-图2，该光功率计包含：光子超导集成回路探测器1、制冷设备、光输入部分、以及信号读出电路。

其中，光子超导集成回路探测器1由超导纳米线阵列(由超导纳米线11组成)与光波导12组成，超导纳米线阵列位于光波导12一侧，每一个超导纳米线阵列中的每一个纳米线与光波导12的间隔距离不同，沿光在光波导12中的传播方向，每一个纳米线与光波导的间隔距离逐渐缩小。

光功率计超大量程的实现基于以下三点：

1、超导纳米线11本身具有光子响应能力，但测量光功率范围有限；

2、光波导12的外倏逝波光功率随着距离增大呈指数衰减，通过调节超导纳米线11与光波导12的距离，针对不同的输入光功率，超导纳米线11都可以工作在合适的光功率范围内；

3、超导纳米线11本身对光场的吸收可忽略，多个与光波导12不同间隔的超导纳米线11组成超导纳米线阵列将弥补超导纳米线11测量光功率范围有限的缺陷，极大扩大光功率计测量范围。

超导纳米线11具备两种不同的工作模式，都具有超宽的光谱响应范围，工作模式一为SNSPD光子计数模式，超导纳米线11吸收一个单光子将产生一个电压脉冲；工作模式二是基于超导纳米线11的临界电流随着光功率的增大逐渐减小的单调关系。

参见图3，工作模式一的光功率计组成：光子超导集成回路探测器1、单模光纤2、光纤聚焦器3、闭循环制冷机4、同轴电缆5、低噪声放大器6、低噪声直流电压源7、T型偏置器8、脉冲计数器9。

参见图4，工作模式二的光功率计组成：光子超导集成回路探测器1、单模光纤2、光纤聚焦器3、闭循环制冷机4、同轴电缆5、低噪声直流电压源7、电压/电流源表10。

其中，图3和图4中的闭循环制冷机4即为制冷设备；单模光纤2、光纤聚焦器3构成了光输入部分。

工作模式一中的同轴电缆5、低噪声放大器6、低噪声直流电压源7、T型偏置器8、脉冲计数器9构成了信号读出电路；工作模式二中的同轴电缆5、低噪声直流电压源7、电压/电流源表10构成了信号读出电路。

两种工作模式下皆可以探测到超导纳米线所在位置的光强，再通过光波导所决定的归一化光强曲线计算得到输入光波导的光功率，再通过已知的耦合效率计算得到待测光的总光功率值。

光波导12的可选材料广泛，包括：硅、氮化硅、锗、锗化硅、氮化铝、硫化物、卤化物、钻石。光波导12的结构包括：脊型波导、或条型波导等。

超导纳米线11的材料可使用多晶材料，包括：氮化铌、氮化钛铌，以及非晶态材料，包括硅化钨、硅化钼。典型的超导纳米线11的厚度在4～9nm，宽度在30～150nm。

综上所述，本发明实施例将光子超导集成回路探测器应用于光功率计，从根本上拓宽光功率计的可测量波长范围与可测量功率范围。

实施方式一：

待测光经单模光纤2进入闭循环制冷机4，通过光纤聚焦器3耦合到光波导12中。光波导12外的倏逝波一小部分被超导纳米线11吸收，形成探测事件。

下面分两种工作模式叙述具体实施方式：

工作模式一，SNSPD模式。工作温度为2.7K。SNSPD两端分别连接金电极13作为正极和负极，金电极13通过金导线与同轴电缆5连接。SNSPD由低噪声直流电压源7串联100千欧电阻构成低噪声恒流直流源供电。SNSPD在未通入探测光时，也会有一定的计数，称为暗计数。SNSPD探测光子产生的电压脉冲经低噪声放大器6放大后接入脉冲计数器9。由脉冲计数器9得到的计数率减去未通待测光下的暗计数再乘以入射单光子的能量，即可测得SNSPD所在位置的倏逝波光强大小，再通过光波导12所决定的归一化光强曲线计算得到输入光波导的光功率，再通过已知的耦合效率计算得到待测光总光功率值。

工作模式二，工作温度为2.7K，超导纳米线11两端分别连接金电极13作为正极和负极，电极通过金导线与同轴电缆5连接。超导纳米线11由低噪声直流电压源7串联100千欧电阻构成低噪声恒流直流源提供偏置电流。超导纳米线11临界电流通过扫描偏置电流得到，当偏置电流超过超导纳米线11的临界电流，超导纳米线11从超导态恢复至有阻态，出现断路。

当探测事件发生时，可测得超导纳米线11的临界电流，根据已知的临界电流与光功率的变化曲线，即可测得超导纳米线11所在位置的倏逝波光强大小，再通过光波导12所决定的归一化光强曲线计算得到输入光波导12的光功率，再通过已知的耦合效率计算得到待测光总光功率值。

实施方式二：

该光功率计的校准

工作模式一需要校准的参数如下：不同波长下光纤聚焦器3与光波导12的耦合效率、光波导12的内外光强归一化曲线、确定偏置电流下SNSPD不同波长所对应的效率。

工作模式二需要校准的参数如下：不同波长下光纤聚焦器3与光波导12的耦合效率、光波导12内外光强归一化曲线、超导纳米线11临界电流随光功率变化曲线。

即，通过对上述参数的校准，提高了光功率计的测量精度。

实施方式三：

该光子超导集成回路探测器的加工包括以下步骤：

通过电子束曝光的方法将波导图形转移到电子束曝光胶上，利用电子束曝光胶作为掩模，用反应离子束刻蚀波导图形；

用磁控溅射的方式在光波导11及波导衬底上溅射一层厚度约为9nm的氮化钛铌材料；

通过电子束曝光的方法将纳米线图形转移到电子束曝光胶上，利用电子束曝光胶作为掩模，用反应离子束刻蚀方法刻蚀纳米线图形；

通过光刻-电子束蒸发-剥离的方法，在超导薄膜上沉积与纳米线图形对准的电学连接电极(钛/金)。

具体实现时，通过图2中的仿真结果确定超导纳米线11与光波导12的距离，根据电子束曝光和反应离子束刻蚀使得超导纳米线11都可以工作在合适的光功率范围内。

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 (7)

1.一种具有宽光谱范围和大量程范围的光功率计，其特征在于，所述光功率计包括：光子超导集成回路探测器，所述光子超导集成回路探测器由超导纳米线阵列与光波导组成，

超导纳米线阵列位于光波导一侧，超导纳米线阵列中的每一个纳米线与光波导的间隔距离不同，沿光在光波导中的传播方向，每一个纳米线与光波导的间隔距离逐渐缩小。

2.根据权利要求1所述的一种具有宽光谱范围和大量程范围的光功率计，其特征在于，

工作在SNSPD光子计数模式时，光功率计还包括：单模光纤、光纤聚焦器、闭循环制冷机、同轴电缆、低噪声放大器、低噪声直流电压源、T型偏置器、以及脉冲计数器。

3.根据权利要求1所述的一种具有宽光谱范围和大量程范围的光功率计，其特征在于，

工作在单调关系模式时，光功率计还包括：单模光纤、光纤聚焦器、闭循环制冷机、同轴电缆、低噪声直流电压源、电压/电流源表。

4.根据权利要求1所述的一种具有宽光谱范围和大量程范围的光功率计，其特征在于，

根据超导纳米线所在位置的光强，再通过光波导所决定的归一化光强曲线计算得到输入光波导的光功率；

再通过已知的耦合效率计算得到待测光的总光功率值。

5.根据权利要求1所述的一种具有宽光谱范围和大量程范围的光功率计，其特征在于，工作在SNSPD光子计数模式时，需要校准的参数如下：

不同波长下光纤聚焦器与光波导的耦合效率、光波导的内外光强归一化曲线、确定偏置电流下SNSPD不同波长所对应的效率。

6.根据权利要求1所述的一种具有宽光谱范围和大量程范围的光功率计，其特征在于，工作在单调关系模式时，需要校准的参数如下：

不同波长下光纤聚焦器与光波导的耦合效率、光波导内外光强归一化曲线、超导纳米线临界电流随光功率变化曲线。

7.根据权利要求1所述的一种具有宽光谱范围和大量程范围的光功率计，其特征在于，所述光子超导集成回路探测器的制备方法包括：

通过电子束曝光将波导图形转移到电子束曝光胶上，利用电子束曝光胶作为掩模，用反应离子束刻蚀波导图形；

用磁控溅射的方式在光波导及波导衬底上溅射一层氮化钛铌材料；

通过电子束曝光纳米线图形转移到电子束曝光胶上，利用电子束曝光胶作为掩模，用反应离子束刻蚀纳米线图形；

通过光刻-电子束蒸发-剥离，在超导薄膜上沉积与纳米线图形对准的电学连接电极。