CN110595737A - 一种针对微区的光学特性测量系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对微区的光学特性测量系统及测量方法，系统包括光源、偏振控制器、分束器、环形器、双通道功率计、光纤传感器和光纤，光源发出的入射光经偏振控制器后输入分束器，分束器将入射光分成两路，一路经光纤传感器输入双通道功率计的第一端口，另一路经环形器照射在超导纳米线实验样品上，然后经超导纳米线实验样品的反射沿光纤原路返回，在环形器处被分离，并通过反射光纤接入双通道功率计的第二端口；双通道功率计对两路光信号进行处理计算，得到超导纳米线实验样品的光子吸收系数。本发明借助一种超导单光子探测器套管辅助光对准封装装置来固定样品，通过光功率计实现对微区的光学特性测量。
Description
技术领域
本发明属于超导单光子探测技术领域，涉及一种针对微区的光学特性测量系统及测 量方法，具体涉及一种针对超导单光子探测器芯片纳米线光敏微区的光子反射率和吸收 率的测量系统及测量方法。
背景技术
超导纳米线单光子探测器(SNSPD)因其高探测效率，低暗计数，低时间抖动，宽响应光谱等诸多优点而在量子通信，卫星激光测距，深空激光通信，光时域反射仪，海雾 测量，大气探测激光雷达等领域中有着重要的应用。氮化铌(NbN)是SNSPD常用的光敏 材料，同时NbN纳米线也是SNSPD器件核心组成部分，其光子传输性质是影响器件效 率的关键因素之一。目前超导纳米线电学特性研究比较深入，但其光学特性研究较少。
为研究不同温度、偏置电流和外加磁场作用下微米量级区域内的超导纳米线的反射、透射和吸收等光学特性。基于这些光学特性，结合低温超导理论，探索超导纳米线 内库伯对、非平衡载流子、热点和磁通等对光学特性的影响，进而揭示超导体与光子相 互作用的微观机制。
发明内容
发明目的：常规的光学特性测量使用的是光谱仪，此类产品只能测量毫米量级的探 测区域，而一般的超导单光子探测器芯片纳米线光敏区是微米量级，制作难度太大。为此我们使用环行器和光功率计等部件设计并搭建了一种针对微区的光学特性测量系统 及测量方法。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种针对微区的光学特性测量系统，包括光源、偏振控制器、分束器、环形器、双通道功率计、光纤传感器和光纤，光源发出的入射光经偏振控制器后输入分束器，分束 器将入射光分成两路，一路经光纤传感器输入双通道功率计的第一端口，另一路经环形 器照射在超导纳米线实验样品上，然后经超导纳米线实验样品的反射沿光纤原路返回， 在环形器处被分离，并通过反射光纤接入双通道功率计的第二端口；双通道功率计对两 路光信号进行处理计算，得到超导纳米线实验样品的光子吸收系数。
可选的，纳米线实验样品设置于低温系统中。
可选的，量系统还包括封装装置，该封装装置用于实现自对准光纤与探测器耦合，且光损耗小于1％。
可选的，件之间通过光纤相连接，连接处涂抹光学折射率匹配液以减少插入损耗；匹配液，折射率为1.3-1.6。
可选的，波长为1550nm。
可选的，器在1550nm波长下分出的两束光各占48.9％和51.1％；环形器可接收光的波长范围为1525-1610nm；光纤传感器可接收的波长范围为1100-1700nm。
本发明还提供了一种针对微区的光学特性测量方法，包括以下步骤：
(1)搭建测量系统，光源偏振后首先通过分束器，其中一半光直接由双通道功率计接收，另一半光需要通过环形器入射到超导纳米线实验样品上；
(2)需要将分束器两个输出端的其中一端与环形器的入射光纤连接成2号光线，选择分束器的红色输出光纤即1号光纤直接与双通道功率计相连，选择分束器的白色输 出光纤即2号光线与环形器的入射光纤相连；
(3)为了减少分束器和环形器两端光纤连接处的光损耗，使用光线熔接器将这两根光纤熔接在一起；
(4)将环形器的出射光纤即3号光纤与封装好的样品相连；
(5)将分束器的红色输出光纤即1号光纤和环形器的反射输出光纤即5号光纤与双通道功率计相连；
(6)通过双通道功率计两个端口的光子能量示数的比值来计算出样品的光吸收效率。
进一步的，步骤(6)中超导纳米线的光子吸收系数计算公式为：
吸收系数＝(入射光子数-反射光子数)/入射光子数。
进一步的，该方法还包括光子耦合效率和双通道功率计的预先校正，校正方法为：
实际上测得的超导纳米线实验样品的光吸收率公式如下：
ηabs＝(P1-P5)/P1；
其中，ηabs是实验样品的光吸收率，P1是1号光纤经双通道功率计测量的数值， P5是5号光纤经双通道功率计测量的数值；
由于光路传播的各个过程中存在光的损耗，最接近理论值的光吸收率公式应该为ηabs＝(P3-P4)/P3，因为DBR结构自身对光的吸收十分稀少，可以忽略不计；而测量 系统所测量的是P1和P5的值，通过系数将P3和P4的值用P1和P5表示；
实际的P1的校准系数a＝P3/P1，P5的校准系数b＝P4/P5；最终的超导纳米线实验样 品的光吸收率公式如下：
ηabs＝(a*P1-b*P5)/a*P1；
其中，ηabs是实验样品的光吸收率，P1是1号光纤经双通道功率计测量的数值， P5是5号光纤经双通道功率计测量的数值，a是P1的校准系数，b是P5的校准系数。
有益效果：与现有技术相比，本发明通过设计的测量方法实现了对超导单光子探测 器微区的纳米线的光学特性的测量，同时配合制冷机还能测量光子吸收率和与温度、电流和磁场的关系。
附图说明
图1是针对微区的光学特性测量系统示意图；
图2是光纤探测器组件；其中，(a)是器件封装盒；(b)是DBR衬底上制备的SNSPD 器件；(c)是SNSPD器件上的Au电极设计示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。以下所述仅为本发 明的实施例子而已，并不用于限制本发明。凡在本发明的原则之内，所作的等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。本发明未作详细阐述的内容属于本专业领域技术人员公知的已有技术。
如图1所示，一种针对微区的光学特性测量系统，包括光源、偏振控制器、分束器、环形器、双通道功率计、光纤传感器和光纤，超导纳米线实验样品设置于低温系统中， 光源发出的入射光经偏振控制器后输入分束器，分束器将入射光分成两路，一路经光纤 传感器输入双通道功率计的第一端口，另一路经环形器照射在超导纳米线实验样品上， 然后经超导纳米线实验样品的反射沿光纤原路返回，在环形器处被分离，并通过反射光 纤接入双通道功率计的第二端口；双通道功率计对两路光信号进行处理计算，得到超导 纳米线实验样品的光子吸收系数。
各部件之间通过光纤相连接，连接处涂抹光学折射率匹配液以减少插入损耗；匹配 液，折射率为1.3-1.6。光源波长为1550nm。分束器在1550nm波长下分出的两束光各 占48.9％和51.1％；环形器可接收光的波长范围为1525-1610nm；光纤传感器是用来将 光纤与双通道功率计链接的转接头，其可接收的波长范围为1100-1700nm。
该测量系统主要用来测量探测器的芯片的光敏区，这里探测器是指超导纳米线单光 子探测器。
具体为：
入射光子从光源出发先经过偏振控制器获得TE波的入射光，然后经过分束器将入射光一分为二，分束器的性能参数如表1所示。其中一半光子经分束器的白色光纤接入 双通道功率计的第一个端口，为实际照射在超导纳米线实验样品上的入射光作为对照参 考。另一半光子由分束器的红色光纤进入环形器作为实际照射在超导纳米线实验样品上 的入射光，环形器的性能参数如表2所示。
表1分束器参数
表2环形器参数
经分束器的红色光纤的入射光通过环形器照射在超导纳米线实验样品上，反射信号 沿光纤原路返回，在环行器处被分离，并通过反射光纤接入双通道功率计的第二个端口。 如此一来，超导纳米线实验样品的入射光子数为双通道功率计第一个端口处测量的光子 数，反射光子数为双通道功率计第二个端口处测量的光子数，因为我们所测量的超导纳米线实验样品结构是以DBR为衬底，所以整个结构的透射光子数可忽略。这里，超导 纳米线的光子吸收系数可以通过下式获得：
吸收系数＝(入射光子数-反射光子数)/入射光子数。
除了测量光路外，为了对探测器的光敏区进行光子检测，需要让光子耦合到SNSPD的NbN纳米线上，以便光电信号的正常输入输出，得到测量参数，进行器件性能评估 和实际应用，这就需要对芯片进行封装和固定。针对不带谐振腔的以DBR(布拉格反 射镜)为衬底的SNSPD芯片，需采用正面对光的方法，为此设计了一种超导单光子探 测器套管辅助光对准封装装置，该封装装置可实现自对准光纤与探测器耦合，且光损耗 小于1％。
如图2(a)所示为正面对光芯片的封装装置结构示意图，包括底座1.1，底座中部设置有套筒支撑柱1.12，底座一端设置有同轴电缆连接头1.4，套筒支撑柱外部设置有 高精度套管1.11，高精度套管顶部开口与光纤套筒1.9连接，高精度套管内设置有探测 器芯片1.10，探测器芯片底部与套筒支撑柱顶部连接，光纤套筒顶部设置有光纤固定环 1.7，光纤套筒内设置有光纤1.8，光纤套筒与探测器芯片之间设置有光学折射率匹配液 1.6，该匹配液通过浸润填满光纤与芯片之间的全部空隙，匹配液可在紫外光照射下快速 凝固或较长时间下自然凝固，光纤底部与芯片光敏区1.2接触并自动无反射损耗对准， 所述探测器芯片另一端通过点焊线1.5与同轴电缆连接头连接。其中光纤套筒顶部通过 光纤固定环封口并固定，光纤套筒底部开口，光纤套筒底部浸润有匹配液并且光纤穿过 光纤固定环和光纤套筒与匹配液接触并最终经过匹配液与探测器芯片的中部光敏区接 触。底座内的底座固定孔1.13用于将设备固定在底座上。
其中，探测器芯片由圆形头端和延长尾端1.3构成，所述圆形头端的直径与高精度套管的内径相同，所述延长尾端通过点焊线与同轴电缆连接头连接。通过将探测器芯片 由圆形头端和延长尾端构成，可以更加安全的通过点焊线与同轴电缆连接头连接，并且 能够在使用过程中对整体设备进行更好的检测，防止出现安全隐患。通过将圆形头端的 直径与高精度套管的内径相同，可以使得探测器芯片在使用过程中不会晃动，能够起到 更好的稳定性。高精度套管设置有一个开口端，所述延长尾端通过开口端伸出高精度套 管外部。通过将高精度套管设置开口端，可以更好的将探测器芯片的延长尾端通过开口 端伸出高精度套管外部与点焊线接触并通过点焊线与同轴电缆连接头连接，并且也起到 了更好的安全性，和整体装置的使用寿命。探测器芯片底部与套筒支撑柱顶部通过低温 胶连接。
其中，高精度套管用来固定探测器芯片(超导纳米线实验样品)并与光纤相连，光纤端头的中心点与探测器芯片的中心纳米线区域相对，实现正面对光。将DBR衬底上 的SNSPD器件进行深硅刻蚀做成如图2(b)所示的“话筒”形状(即探测器芯片)将 其放置在套管(即高精度套管)中，其突出的电极部分从套管缺口伸出，使用打线机将 电极与封装盒的引脚相连。图中2.1为探测器芯片基底、2.2为纳米线探测区域、2.3为 金电极一端、2.4为金电极另一端；图2(c)则是我们所设计的SNSPD器件芯片上的 Au电极。
另外，将实验样品放入低温系统中，还能测量光子吸收率和与温度、电流和磁场的关系。
一种针对微区的光学特性测量方法，包括以下步骤：
(1)根据测量系统设计图示(图1)，光源偏振后首先通过分束器，其中一半光直 接由双通道功率计接收，另一半光需要通过环形器入射到超导纳米线实验样品上。
(2)需要将分束器两个输出端的其中第二端口与环形器的入射光纤连接成第二光线2。这里选择分束器的红色输出光纤即第一光纤1直接与双通道功率计相连，选择分 束器的白色输出光纤即第二光线2与环形器的入射光纤相连。
(3)为了减少分束器和环形器两端光纤连接处的光损耗，使用光线熔接器将这两根光纤熔接在一起。
(4)将环形器的出射光纤即第三光纤3与封装好的超导纳米线实验样品相连。
(5)将分束器的红色输出光纤即第一光纤1和环形器的反射输出光纤即第五光纤5与双通道功率计相连，这里使用的是THORLABS公司的S154C型号的光纤传感器进行 连接。
(6)通过双通道功率计两个端口的光子能量示数的比值来计算出样品的光吸收效率。
实验过程中，光子耦合效率和双通道功率计预先校正，校正方法为：
根据图1所示的光学特性测量系统来看，实际上测得的超导纳米线实验样品的光吸 收率公式如下：
ηabs＝(P1-P5)/P1；
其中，ηabs是实验样品的光吸收率，P1是1号光纤经双通道功率计测量的数值， P5是5号光纤经双通道功率计测量的数值。
但是光路传播的各个过程中存在光的损耗，最接近理论值的光吸收率公式应该为ηabs＝(P3-P4)/P3，因为DBR结构自身对光的吸收十分稀少，可以忽略不计。而测量 系统所测量的是P1和P5的值，可以通过系数将P3和P4的值用P1和P5表示。为了 标定实际入射到样品表面的入射光子数即P3和从器件表面反射出的光子数即P4，因光 纤本身以及分束器等都有一定的光损耗，所以原光源经过分束器后所得的两路光子数并 不是理论上的1：1，为此需测量图1中的3号光纤替代5号光纤接入双通道功率计的2 号端口，如此一来，双通道功率计的1号端口和2号端口所接收的光路就是经分束器分 束后的两条光路，通过双通道功率计来观察两个通道的光功率示数，即可计算出实际的 P1的校准系数a＝P3/P1，然后就可以通过观察1号端口的入射光子数功率计算出实际入 射在样品表面的入射光子数功率。在完成实际入射光子数功率的标定之后，再正式进行 器件的光学特性测量。
至于P5的校准系数b＝P4/P5是与光从4号光纤经环形器到达5号光纤过程中和光纤与器件对光处的光损耗都有关，该损耗我们可以根据表2环形器的性能参数和银镜校 准测量得出。最终的超导纳米线实验样品的光吸收率公式如下：
ηabs＝(a*P1-b*P5)/a*P1；
其中，ηabs是实验样品的光吸收率，P1是1号光纤经双通道功率计测量的数值， P5是5号光纤经双通道功率计测量的数值，a是P1的校准系数，b是P5的校准系数。
Claims (9)
1.一种针对微区的光学特性测量系统，其特征在于：包括光源、偏振控制器、分束器、环形器、双通道功率计、光纤传感器和光纤，光源发出的入射光经偏振控制器后输入分束器，分束器将入射光分成两路，一路经光纤传感器输入双通道功率计的第一端口，另一路经环形器照射在超导纳米线实验样品上，然后经超导纳米线实验样品的反射沿光纤原路返回，在环形器处被分离，并通过反射光纤接入双通道功率计的第二端口；双通道功率计对两路光信号进行处理计算，得到超导纳米线实验样品的光子吸收系数。
2.根据权利要求1所述的一种针对微区的光学特性测量系统，其特征在于：超导纳米线实验样品设置于低温系统中。
3.根据权利要求1所述的一种针对微区的光学特性测量系统，其特征在于：该测量系统还包括封装装置，该封装装置用于实现自对准光纤与探测器耦合，且光损耗小于1％。
4.根据权利要求1所述的一种针对微区的光学特性测量系统，其特征在于：各部件之间通过光纤相连接，连接处涂抹光学折射率匹配液以减少插入损耗；匹配液，折射率为1.3-1.6。
5.根据权利要求1所述的一种针对微区的光学特性测量系统，其特征在于：光源波长为1550nm。
6.根据权利要求1所述的一种针对微区的光学特性测量系统，其特征在于：分束器在1550nm波长下分出的两束光各占48.9％和51.1％；环形器可接收光的波长范围为1525-1610nm；光纤传感器可接收的波长范围为1100-1700nm。
7.一种针对微区的光学特性测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)搭建测量系统，光源偏振后首先通过分束器，其中一半光直接由双通道功率计接收，另一半光需要通过环形器入射到超导纳米线实验样品上；
(2)需要将分束器两个输出端的其中一端与环形器的入射光纤连接成2号光线，选择分束器的红色输出光纤即1号光纤直接与双通道功率计相连，选择分束器的白色输出光纤即2号光线与环形器的入射光纤相连；
(3)为了减少分束器和环形器两端光纤连接处的光损耗，使用光线熔接器将这两根光纤熔接在一起；
(4)将环形器的出射光纤即3号光纤与封装好的样品相连；
(5)将分束器的红色输出光纤即1号光纤和环形器的反射输出光纤即5号光纤与双通道功率计相连；
(6)通过双通道功率计两个端口的光子能量示数的比值来计算出样品的光吸收效率。
8.根据权利要求7所述的一种针对微区的光学特性测量方法，其特征在于，步骤(6)中超导纳米线的光子吸收系数计算公式为：
吸收系数＝(入射光子数-反射光子数)/入射光子数。
9.根据权利要求7所述的一种针对微区的光学特性测量方法，其特征在于，该方法还包括光子耦合效率和双通道功率计的预先校正，校正方法为：
实际上测得的超导纳米线实验样品的光吸收率公式如下：
ηabs＝(P1-P5)/P1；
其中，ηabs是实验样品的光吸收率，P1是1号光纤经双通道功率计测量的数值，P5是5号光纤经双通道功率计测量的数值；
由于光路传播的各个过程中存在光的损耗，最接近理论值的光吸收率公式应该为ηabs＝(P3-P4)/P3，因为DBR结构自身对光的吸收十分稀少，可以忽略不计；而测量系统所测量的是P1和P5的值，通过系数将P3和P4的值用P1和P5表示；
实际的P1的校准系数a＝P3/P1，P5的校准系数b＝P4/P5；最终的超导纳米线实验样品的光吸收率公式如下：
ηabs＝(a*P1-b*P5)/a*P1；
其中，ηabs是实验样品的光吸收率，P1是1号光纤经双通道功率计测量的数值，P5是5号光纤经双通道功率计测量的数值，a是P1的校准系数，b是P5的校准系数。
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| CN201910778053.9A CN110595737A (zh) | 2019-08-22 | 2019-08-22 | 一种针对微区的光学特性测量系统及测量方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2019
- 2019-08-22 CN CN201910778053.9A patent/CN110595737A/zh active Pending
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