CN110455407A - 高速且集成阻抗匹配结构的超导纳米线单光子探测器 - Google Patents

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兰潇健
邹锴
曾嵘
胡南
许亮
孟赟
范理
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Abstract

本发明公开了一种高速且集成阻抗匹配结构的超导纳米线单光子探测器,所述探测器包括:超导锥形传输线;所述超导锥形传输线作为阻抗匹配结构,连接负载和超导纳米线;所述阻抗匹配结构为共平面波导,其特征阻抗由千欧逐渐变化到几十欧姆;所述超导锥形传输线的高阻抗一端与超导纳米线连接,低阻抗一端与负载连接;在超导纳米线与地之间接入欧姆电阻。本发明提高了输出脉冲的上升沿斜率,并保持较短的响应恢复时间。

Description

高速且集成阻抗匹配结构的超导纳米线单光子探测器
技术领域
本发明涉及光电子器件领域,尤其涉及一种高速且集成阻抗匹配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)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了广泛应用。
但SNSPD光子响应脉冲的幅值受到偏置电流和负载阻抗乘积的限制,该限制是SNSPD噪声引起的时域抖动的主要来源之一。
发明内容
本发明提供了一种高速且集成阻抗匹配结构的超导纳米线单光子探测器,本发明提高了输出脉冲的上升沿斜率,并保持较短的响应恢复时间,详见下文描述:
一种高速且集成阻抗匹配结构的超导纳米线单光子探测器,所述探测器包括:超导锥形传输线;
所述超导锥形传输线作为阻抗匹配结构,连接负载和超导纳米线;
所述阻抗匹配结构为共平面波导,其特征阻抗由千欧逐渐变化到几十欧姆;
所述超导锥形传输线的高阻抗一端与超导纳米线连接,低阻抗一端与负载连接;在超导纳米线与地之间接入欧姆电阻。
其中,所述阻抗匹配结构是高通的,在电压脉冲的上升沿,高频信号通过时表现为变压器,将输出电压脉冲的幅值放大倍,增加了电压脉冲的上升沿斜率;
在输出脉冲的下降沿,低频信号通过时表现为电感,响应恢复时间变长。
进一步地,所述阻抗匹配结构以及欧姆电阻的制备流程如下:
用磁控溅射在衬底上溅射一层氮化钛铌超导薄膜;
通过电子束曝光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,用反应离子束刻蚀纳米线图形;
通过光刻-反应离子束刻蚀-去胶,以光刻胶为掩膜,在超导薄膜上掏出长方形沟槽;
通过光刻-电子束蒸发-剥离,在沟槽处沉积一根长条形钛电阻;在超导薄膜上沉积与钛电阻对准的金电极,钛电阻与金电极有部分交叠;在钛电阻上还蒸镀一层二氧化硅保护层;
通过电子束曝光将可实现阻抗匹配的锥形传输线图形转移到电子束曝光胶上,再利用电子束曝光胶作为掩模,用反应离子束刻蚀出超导锥形传输线。
进一步地,所述欧姆电阻为钛电阻,所述电极为金电极。
本发明提供的技术方案的有益效果是:
1、现有技术中的单光子探测器的输出脉冲幅值受到偏置电流和负载阻抗乘积的限制,若提高负载,则会导致闭锁现象,并且由噪声带来的时域抖动时间较长。本发明在探测器和负载之间加入阻抗匹配结构,可以提高输出脉冲幅值,增加输出脉冲上升沿斜率,减小探测器的噪声。
2、本发明采用阻抗匹配增加了总动能电感,延长了探测器的响应恢复时间。
其中,上述响应恢复时间τ=t(vmax)-t(v10%max)定义为:在同一个光子响应脉冲内从输出脉冲峰值降低到最后一个对应峰值乘以10%的电压值所需的时间。通过在超导纳米线和地之间接入欧姆电阻,再利用阻抗匹配结构在提高输出脉冲上升沿的同时,缩短了探测器的响应恢复时间。
3、通过在器件中集成阻抗匹配结构,使得SNSPD输出脉冲的前沿斜率从3.52μVsssssssssssssss/ps提高到17.85μVsssssssssssssss/ps;
4、通过在探测器负极串联欧姆电阻,将集成了阻抗匹配结构的SNSPD的响应恢复时间从45ns降低到了11ns,串联欧姆电阻后,脉冲前沿斜率为17.43μVsssssssssssssss/ps;本发明在保持阻抗匹配结构对脉冲前沿斜率提升的同时,降低了SNSPD的响应恢复时间。
附图说明
图1为超导纳米线单光子探测器的脉冲读取电路图;
其中,直流电流源提供偏置电流。传输线高阻抗一端与SNSPD连接,低阻抗一端与负载连接;SNSPD负极串联电阻。
图2为探测器输出电压脉冲波形图;
其中,光子入射时间为0。曲线A为传统的SNSPD脉冲读取电路,即无阻抗匹配结构,其响应恢复时间为24ns,峰值一半处的上升沿斜率为3.52μV/ps;曲线B为带有阻抗匹配结构并在SNSPD负极串联150欧姆电阻的脉冲读取电路其响应恢复时间为11ns,峰值一半处的上升沿斜率为17.43μV/ps;曲线C为带有阻抗匹配结构的SNSPD脉冲读取电路,其响应恢复时间为45ns,峰值一半处的上升沿斜率为17.85μV/ps。
图3为锥形传输线阻抗匹配结构的示意图;
其中,传输线为共平面波导结构。在与单光子探测器材料相同的NbN薄片上加工出来。中间导体的宽度和阻抗逐渐变化,实现阻抗匹配。
图4为串联在SNSPD负极的Ti电阻示意图。
其中,(a)为钛电阻示意图,二氧化硅为基底,在上面溅射一层钛,在钛上面蒸镀一层金电极;(b)为与氮化铌超导纳米线单光子探测器负极串联的钛电阻示意图,金电极蒸镀于氮化铌之上,部分金电极蒸镀于钛电阻之上,与电阻形成接触,钛电阻则直接溅射在二氧化硅上。
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。
本发明实施例提供了一种高速且集成阻抗匹配结构的超导纳米线单光子探测器,参见图1,该探测器包括:超导锥形传输线1、超导纳米线3、以及欧姆电阻4。在该超导纳米线单光子探测器的脉冲读取电路中,用超导锥形传输线1作为阻抗匹配结构,连接50欧姆负载2和超导纳米线3。该阻抗匹配结构被设计为共平面波导,其特征阻抗由千欧RH逐渐变化到50欧姆RL,超导锥形传输线1的高阻抗一端与超导纳米线3连接,低阻抗一端与负载2连接。同时,在超导纳米线3与地之间接入150欧姆电阻4。
实施例1
光经由单模光纤进入闭循环制冷机,通过光纤聚焦器被单光子探测器接收。单光子探测器的正极与阻抗匹配结构的高阻抗一端相连接,负极接150欧姆电阻4,欧姆电阻4的另一端接地。阻抗匹配结构的低阻抗一端与电流源5和负载2连接。
光子入射到单光子探测器时,超导纳米线3由超导态转变为有阻态,形成电压脉冲,经过传输线形成输出电压。阻抗匹配结构是高通的,在电压脉冲的上升沿,即高频信号通过时表现为变压器,相比于传统的超导纳米线单光子探测器的读出电路,将输出电压脉冲的幅值放大倍,同时增加了电压脉冲的上升沿斜率。在输出脉冲的下降沿,即低频信号通过时,阻抗匹配结构表现为电感,导致响应恢复时间变长。因此在超导纳米线3与地之间串联欧姆电阻4,缩短响应恢复时间。
本发明利用超导锥形传输线作为阻抗匹配结构,减小输出电压脉冲在纳米线和负载之间的来回反射,提高输出脉冲幅值和前沿斜率,降低SNSPD的时域抖动;本发明在SNSPD的负极串联电阻,用于解决阻抗匹配结构给读取电路带来的附加动能电感,导致SNSPD响应恢复时间变长的问题。
实施例2
该阻抗匹配结构和欧姆电阻4的加工:
用磁控溅射的方式在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-反应离子束刻蚀-去胶的方法,以光刻胶为掩膜,在氮化铌薄膜上掏出长方形沟槽;
通过光刻-电子束蒸发-剥离的方法,在沟槽处沉积一根长条形钛电阻;
通过光刻-电子束蒸发-剥离的方法,在超导薄膜上沉积与钛电阻对准的金电极,钛电阻作为连通金电极与接地端的桥梁与金电极有部分交叠。
通过光刻-电子束蒸发-剥离的方法,在钛电阻上蒸镀一层二氧化硅保护层,防止钛的氧化。
通过电子束曝光的方法将传输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,用反应离子束刻蚀出超导锥形传输线结构。
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)

1.一种高速且集成阻抗匹配结构的超导纳米线单光子探测器,其特征在于,所述探测器包括:超导锥形传输线;
所述超导锥形传输线作为阻抗匹配结构,连接负载和超导纳米线;
所述阻抗匹配结构为共平面波导,其特征阻抗由千欧逐渐变化到几十欧姆;
所述超导锥形传输线的高阻抗一端与超导纳米线连接,低阻抗一端与负载连接;在超导纳米线与地之间接入欧姆电阻。
2.根据权利要求1所述的一种高速且集成阻抗匹配结构的超导纳米线单光子探测器,其特征在于,
所述阻抗匹配结构是高通的,在电压脉冲的上升沿,高频信号通过时表现为变压器,将输出电压脉冲的幅值放大倍,增加了电压脉冲的上升沿斜率;
在输出脉冲的下降沿,低频信号通过时表现为电感,响应恢复时间变长。
3.根据权利要求1所述的一种高速且集成阻抗匹配结构的超导纳米线单光子探测器,其特征在于,所述阻抗匹配结构以及欧姆电阻的制备流程如下:
用磁控溅射在衬底上溅射一层氮化钛铌超导薄膜;
通过电子束曝光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,用反应离子束刻蚀纳米线图形;
通过光刻-反应离子束刻蚀-去胶,以光刻胶为掩膜,在超导薄膜上掏出长方形沟槽;
通过光刻-电子束蒸发-剥离,在沟槽处沉积一根长条形欧姆电阻;在超导薄膜上沉积与欧姆电阻对准的电极,欧姆电阻与电极有部分交叠;在欧姆电阻上还蒸镀一层二氧化硅保护层;
通过电子束曝光将可实现阻抗匹配的锥形传输线图形转移到电子束曝光胶上,再利用电子束曝光胶作为掩模,用反应离子束刻蚀出超导锥形传输线。
4.根据权利要求3所述的一种高速且集成阻抗匹配结构的超导纳米线单光子探测器,其特征在于,
所述欧姆电阻为钛电阻,所述电极为金电极。
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