CN111707362A - 高速超导微米线单光子探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高速超导微米线单光子探测器，包括衬底，所述衬底上设置有电流输入端、超导微米线、串联电感、并联电阻和接地端。所述超导微米线由超导薄膜材料经微纳加工制备而成的、具有微米量级宽度的线条，同时表面贴合有光传输元件。所述串联电感是由超导微带线制备而成的电感或是独立的外接电感。所述并联电阻是由金属薄膜材料制备而成的电阻或是独立的外接贴片电阻，连接在电流输入端和接地端之间。本发明还涉及高速超导微米线单光子探测器制备方法。本发明具有规模可拓展、集成度高、光路损耗小等优点，可应用于量子光学、量子保密通信、激光雷达等领域。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测技术领域，特别是涉及一种高速超导微米线单光子探测器及其制备方法。
背景技术
超导单光子探测器(Superconducting Single Photon Detector，SSPD)是近十几年发展起来的新型单光子探测技术，相对于常规的半导体探测器具备超高的探测效率、极低的暗计数、低时间抖动以及高计数率等优势，同时能够实现较宽谱响应，覆盖范围从可见光到红外波段。高性能的SSPD器件已经在量子密钥分发、光量子计算、激光通信、激光雷达等众多领域得到了大量应用验证。但实际上，SSPD的各种实际性能(比如，宽谱、探测速度、探测效率、时间抖动等)是相互制约的，就目前发展来说，将这些多重优势集成在单一器件上仍有待前进，因此如何在保证片上高速、高效率的同时实现低时间抖动和超宽谱探测单光子，是当今SSPD的研究热门课题。
现如今主流的SSPD是利用超导材料制备线宽约为100nm曲折纳米线构成十几微米甚至上百微米直径的光敏面进行单光子探测，此类探测器由于存在蜿蜒延伸的特定结构，器件的动态电感较大，通常较难实现高速的单光子探测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高速超导微米线单光子探测器及其制备方法，能够实现高速、宽谱、低时间抖动的单光子探测。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种高速超导微米线单光子探测器，包括衬底，所述衬底上设置有电流输入端和接地端，所述衬底上设置有超导微米线，所述超导微米线为由超导薄膜材料经微纳加工制备而成线条，宽度为1-10μm；所述超导微米线一端与所述电流输入端相连，另一端与所述接地端相连；所述超导微米线的表面贴合有光传输元件。
所述衬底为MgF2衬底或热氧化硅衬底。
所述超导微米线的厚度为1-10nm。
所述超导微米线的另一端与所述接地端之间还设置有电感
所述电流输入端和接地端之间还连接有并联电阻。
所述光传输元件为微米光纤或脊形光波导。
所述微米光纤由单模光纤拉伸而成，所述微米光纤贴合在所述超导微米线的上表面。
所述脊形光波导位于所述衬底上，并与所述超导微米线的下表面贴合。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种高速超导微米线单光子探测器制备方法，包括以下步骤：
(1)提供一衬底；
(2)在衬底上沉积一层超导材料薄膜；
(3)使用紫外曝光和反应离子刻蚀工艺制备出电流输入端和接地端、一条宽度为1-10μm的超导薄膜材料线条作为超导微米线、以及一条宽度为所述超导微米线数倍的，长度为数十倍的超导微带线作为串联电感，将所述超导微米线一端与所述电流输入端连接，另一端与所述串联电感连接；所述串联电感的终端与接地端连接；所述电流输入端和接地端之间还连接并联电阻；
(4)将单模光纤采用熔融拉锥的方法拉伸成微米光纤，再通过光学胶将所述微米光纤最细的部分贴合在所述超导微米线上。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高速超导微米线单光子探测器制备方法，包括以下步骤：
(1)提供一衬底；
(2)在衬底上制备出一脊形光波导；
(3)在脊形光波导和彻底上各沉积一层超导薄膜材料；
(4)在脊形光波导上使用紫外曝光和反应离子刻蚀工艺制备出一条宽度为1-10μm的超导薄膜材料线条作为超导微米线，在衬底上使用紫外曝光和反应离子刻蚀工艺制备出电流输入端和接地端，以及一条宽度为所述超导微米线数倍的，长度为数十倍的超导微带线作为串联电感；将所述超导微米线一端与所述电流输入端连接，另一端与所述串联电感连接；所述串联电感的终端与接地端连接；所述电流输入端和接地端之间还连接并联电阻。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
本发明采用长直超导材料微米线设计而成的SSPD，能够有效地减弱同类型曲折线设计导致的拐弯效应，提升器件偏置电流比，并且由于微米线设计具有很小的动态电感，进而能够缩短器件死时间，提高单光子的探测速度并降低探测器的几何时间抖动，从而实现高速探测器件；同时微米级线条可以大幅提高临界电流，减弱材料缺陷导致的临界电流恶化，进而改善探测器的电噪声导致的时间抖动。与超导微米线串联的电感和并联的电阻，其电感值和电阻值可以按照实际需要进行灵活调整，避免器件在高速工作时发生闩锁(Latching)。
本发明长直微米线结构的SSPD能够与微米光纤的长直光倏逝场区域很好的耦合，实现高效率的光吸收，同时可以发挥微米光纤的宽谱优势，实现从近红外到极紫外的宽谱单光子探测，有望应用于量子光学、量子保密通信、激光雷达、环境光谱学、医学荧光光谱扫描和多光谱雷达等领域。本发明长直微米线结构的SSPD与光波导耦合可实现在片上的高速、高效路的单光子探测，有望应用于硅基光子学的片上集成化研究中。
附图说明
图1是本发明中微米线SSPD的光学显微镜照片；
图2是本发明实施例一的结构示意图；
图3是本发明实施例一的超微米线与微纳光纤贴合部分的结构示意图；
图4是本发明实施例二的结构示意图；
图5是本发明实施例二的超微米线与M型光波导贴合部分的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种高速超导微米线单光子探测器，高速超导微米线单光子探测器，包括衬底，所述衬底上设置有电流输入端和接地端，所述衬底上设置有超导微米线，所述超导微米线为宽度为1-10μm、厚度为1-10nm的超导氮化铌线条，图1给出了所述微米线SSPD的光学显微镜照片；所述超导微米线一端与所述电流输入端相连，另一端与所述串联电感相连；串联电感的终端与接地端相连；所述超导微米线的表面贴合有光传输元件。其中，串联电感是由超导微带线制备而成的电感或是独立的外接电感。
其中，所述衬底可以为任意一种起支撑作用的衬底，例如，半导体衬底、玻璃衬底、陶瓷衬底等。本实施方式中，所述衬底为MgF2衬底或热氧化硅衬底，其根据不同的光传输元件采用不同的衬底，当采用微米光纤作为光传输元件时，采用MgF2衬底；当采用脊形光波导时，采用热氧化硅衬底。
微米光纤是通过单模光纤采用熔融拉锥的方法拉伸至目标直径形成的，其中目标直径部分的光纤就是微米光纤，微米光纤与直径没有变化的单模光纤之间存在着一段直径渐变的区域。微米光纤一种新型的实用型光纤结构，其是对光约束力极强、光传输损耗极小、光场模式便于调节的特殊高性能光纤。由于微米光纤存在较强的倏逝场，并且传输光谱较宽，其独有的微纳结构能够较好地耦合到SSPD中，实现极细微区域的光学模式演示应用。
脊形光波导主要由氮化硅(SiN)、铌酸锂(LNOI)、绝缘体上硅(SOI)等材料制备而成，在波导光学领域是较为成熟的结构。
本实施方式中的超导微米线的为宽度为1-10μm、厚度为1-10nm的氮化铌线条。本发明采用长直的超导微米线设计而成的SSPD，能够有效地减弱同类型曲折线设计导致的拐弯效应，从而能够提升器件偏置电流比，并且由于微米线本身具有很小的动态电感(约为1nH)，进而能够缩短器件死时间，提高单光子的探测速度并降低探测器的几何时间抖动，因此采用这种长直的超导微米线能够克服微米光纤存在的探测速度较慢、时间抖动较高的问题。同时微米级线条可以大幅提高临界电流，减弱材料缺陷导致的临界电流恶化，进而改善探测器的电噪声导致的时间抖动。
下面通过两个实施例来说明高速超导微米线单光子探测器的制备。
实施例一：
如图2和图3所示，本实施例提供的一种高速超导微米线单光子探测器制备方法，包括以下步骤：
(1)提供一设置有电流输入端2和接地端3的大小为20mm*20mm的晶面取向为(001)的MgF2衬底1。
(2)在衬底1上制备出一条厚度为1-10nm、宽度为1-10μm的氮化铌线条作为超导微米线4，同时制备出所述超导微米线4串联的电感L。该串联电感可以通过选择不同接线端，利用超导微带线的长度来调节其电感值大小(L1-L5)，图1中显示了使用L+和L1作为串联电感时偏置电流的流向。将所述超导微米线4的一端与所述电流输入端2连接，电感L的另一端与所述接地端3连接，该电感L能够防止微米线闩锁。为了确保防止超导微米线4闩锁，还可以在衬底1上再制备一个阻值为5欧姆的并联电阻R，并将该电阻R的一端与所述电流输入端2连接，另一端与所述接地端3连接。其中，并联电阻R是由金属薄膜材料制备而成的电阻或是独立的外接贴片电阻。
(3)将直径为15μm的单模光纤采用熔融拉锥的方法拉伸成直径为1-3μm的微米光纤5，再通过低折射率的光学胶将所述微米光纤5最细的部分贴合在所述超导微米线4上，如此就可以利用光的倏逝场实现光耦合，并进而实现单光子探测。
此外，器件的读出电路可以通过超声压焊、PCB电路板以及微型同轴线接头等方式实现；整个器件被放置在铜质器件盒(一般采用紫铜等导热良好金属或合金加工成)底座中进行实验。
本发明长直微米线结构的SSPD能够与微米光纤的长直光倏逝场区域很好的耦合，实现高效率的光吸收，同时可以发挥微米光纤的宽谱优势，实现从近红外到极紫外的宽谱单光子探测，有望应用于量子光学、量子保密通信、激光雷达、环境光谱学、医学荧光光谱扫描和多光谱雷达等领域。
实施例二：
如图4和图5所示，本实施例提供的一种高速超导微米线单光子探测器制备方法，包括以下步骤：
(1)提供一设置有电流输入端2和接地端3的大小为20mm*20mm的热氧化硅衬底1。
(2)在衬底1上制备出一脊形光波导6，该脊形光波导6主要由氮化硅(SiN)、铌酸锂(LNOI)、绝缘体上硅(SOI)等材料制备而成，在波导光学领域是较为成熟的结构，在此不做赘述。
(3)在脊形光波导6的一条臂上制备出一条厚度为1-10nm、宽度为1-10μm的氮化铌线条作为超导微米线4，同时在衬底上制备出所述超导微米线4串联的电感L。将所述超导微米线4一端与所述电流输入端2连接，电感L的另一端与所述接地端3连接。为了确保防止微米线闩锁，还可以在衬底上再制备一个阻值为5欧姆的并联电阻R，并将该电阻R的一端与所述电流输入端2连接，另一端与所述接地端3连接。
本发明长直微米线结构的SSPD与光波导耦合可实现在片上的高速、高效路的单光子探测，有望应用于硅基光子学的片上集成化研究中。
Claims (10)
1.一种高速超导微米线单光子探测器，包括衬底，所述衬底上设置有电流输入端和接地端，其特征在于，所述衬底上设置有超导微米线，所述超导微米线为由超导薄膜材料经微纳加工制备而成线条，宽度为1-10μm；所述超导微米线一端与所述电流输入端相连，另一端与所述接地端相连；所述超导微米线的表面贴合有光传输元件。
2.根据权利要求1所述的高速超导微米线单光子探测器，其特征在于，所述衬底为MgF2衬底或热氧化硅衬底。
3.根据权利要求1所述的高速超导微米线单光子探测器，其特征在于，所述超导微米线的厚度为1-10nm。
4.根据权利要求1所述的高速超导微米线单光子探测器，其特征在于，所述超导微米线的另一端与所述接地端之间还设置有电感。
5.根据权利要求1所述的高速超导微米线单光子探测器，其特征在于，所述电流输入端和接地端之间还连接有并联电阻。
6.根据权利要求1所述的高速超导微米线单光子探测器，其特征在于，所述光传输元件为微米光纤或脊形光波导。
7.根据权利要求6所述的高速超导微米线单光子探测器，其特征在于，所述微米光纤由单模光纤拉伸而成，所述微米光纤贴合在所述超导微米线的上表面。
8.根据权利要求6所述的高速超导微米线单光子探测器，其特征在于，所述脊形光波导位于所述衬底上，并与所述超导微米线的下表面贴合。
9.一种高速超导微米线单光子探测器制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)提供一衬底；
(2)在衬底上沉积一层超导材料薄膜；
(3)使用紫外曝光和反应离子刻蚀工艺制备出电流输入端和接地端、一条宽度为1-10μm的超导薄膜材料线条作为超导微米线、以及一条宽度为所述超导微米线数倍的，长度为数十倍的超导微带线作为串联电感，将所述超导微米线一端与所述电流输入端连接，另一端与所述串联电感连接；所述串联电感的终端与接地端连接；所述电流输入端和接地端之间还连接并联电阻；
(4)将单模光纤采用熔融拉锥的方法拉伸成微米光纤，再通过光学胶将所述微米光纤最细的部分贴合在所述超导微米线上。
10.一种高速超导微米线单光子探测器制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)提供一衬底；
(2)在衬底上制备出一脊形光波导；
(3)在脊形光波导和彻底上各沉积一层超导薄膜材料；
(4)在脊形光波导上使用紫外曝光和反应离子刻蚀工艺制备出一条宽度为1-10μm的超导薄膜材料线条作为超导微米线，在衬底上使用紫外曝光和反应离子刻蚀工艺制备出电流输入端和接地端，以及一条宽度为所述超导微米线数倍的，长度为数十倍的超导微带线作为串联电感；将所述超导微米线一端与所述电流输入端连接，另一端与所述串联电感连接；所述串联电感的终端与接地端连接；所述电流输入端和接地端之间还连接并联电阻。
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|---|---|---|---|
| CN202010396996.8A Pending CN111707362A (zh) | 2020-05-12 | 2020-05-12 | 高速超导微米线单光子探测器及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111707362A (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011164068A (ja) * | 2010-02-15 | 2011-08-25 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 超伝導光検出素子 |
| CN108680264A (zh) * | 2018-04-18 | 2018-10-19 | 天津大学 | 一种无需射频放大器的超导纳米线单光子探测器系统 |
| CN110057446A (zh) * | 2019-03-21 | 2019-07-26 | 天津大学 | 一种具有宽光谱范围和大量程范围的光功率计 |
| CN110346040A (zh) * | 2018-04-03 | 2019-10-18 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 宽谱微纳光纤耦合超导纳米线单光子探测器及其制备方法 |
| CN111129280A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-05-08 | 南京大学 | 一种集成波导结构光子数分辨超导单光子探测器及其制备方法 |
-
2020
- 2020-05-12 CN CN202010396996.8A patent/CN111707362A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011164068A (ja) * | 2010-02-15 | 2011-08-25 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 超伝導光検出素子 |
| CN110346040A (zh) * | 2018-04-03 | 2019-10-18 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 宽谱微纳光纤耦合超导纳米线单光子探测器及其制备方法 |
| CN108680264A (zh) * | 2018-04-18 | 2018-10-19 | 天津大学 | 一种无需射频放大器的超导纳米线单光子探测器系统 |
| CN110057446A (zh) * | 2019-03-21 | 2019-07-26 | 天津大学 | 一种具有宽光谱范围和大量程范围的光功率计 |
| CN111129280A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-05-08 | 南京大学 | 一种集成波导结构光子数分辨超导单光子探测器及其制备方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| J. CHILES ET AL.: "Superconducting microwire detectors with single-photon sensitivity in the", 《ARXIV.ORG》 * |
| 汪帅: "基于铯的卤化铅钙钛矿微米线激光器与光子探测研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库》 * |
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