CN113252191A - 一种集成高对比度光栅的大面积探测超导单光子探测器 - Google Patents
一种集成高对比度光栅的大面积探测超导单光子探测器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种集成高对比度光栅的大面积探测超导单光子探测器，所述探测器包括：高折射率材料制成的有聚焦能力的高对比度光栅，所述集成的高对比度光栅在1550纳米的通讯光波段有高的透射率和覆盖0到2π的相位变化，以将入射光经光栅会聚到超导薄膜材料制成的纳米线处。同时在纳米线后方设置有谐振腔与反射层，提高器件对光子的吸收率。最终实现用小面积的超导纳米线区域高速高效探测大面积范围的光子入射。
Description
技术领域
本发明涉及光探测技术领域，尤其涉及一种集成高对比度光栅的大面积探测超导单光子探测器。
背景技术
超导纳米线单光子探测器(Superconductor Nanowire Single PhotonDetector，SNSPD)是一种新型单光子检测器，可以实现可见光到近红外波段的高效单光子探测。由于其高效率、低暗计数、高速率、低时间抖动等优势，SNSPD已应用在量子信息技术、激光通信、星地测距、深度成像等领域。
但是有效探测面积过小的问题，限制了SNSPD在如超分辨成像，天体物理，生物荧光检测等方面的使用。目前SNSPD的有效探测面积通常最大只有15微米×15微米。
目前对增大探测面积的解决方案通常有三个：一是直接增大SNSPD的有效探测区域，但它对于工艺的要求非常的高，同时会导致纳米线的动态电感进一步提升，影响探测速率；二是将多个探测器制备成阵列，但是实现阵列在加工和读出电路上都有很大的难度，目前实现的像元还非常少；三是选择光学结构进行辅助，在不提高探测器尺寸的前提下，尽量扩大探测面积，同时尽量避免效率的损耗。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种集成高对比度光栅的大面积探测超导单光子探测器，使用高对比度光栅光学结构对探测器进行辅助，用于解决现有技术中超导纳米线单光子探测器探测面积小的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种集成高对比度光栅的大面积探测超导单光子探测器，包括由上到下依次设置的光栅层、传导层、吸收层、谐振层和反射层，其中，所述光栅层具有高折射率对比度的光栅，所述高折射率则是光栅与光栅间隙折射率相差在2倍及以上，所述光栅在红外波段具有高于90％的透射率和覆盖0到2π的相位变化且在光栅的不同位置具有不同的占空比，以将入射光经光栅会聚到超导薄膜材料制成的纳米线处，所述纳米线位于所述吸收层。
如上所述的集成高对比度光栅的大面积探测超导单光子探测器，进一步地，所述光栅对TM偏振的入射光具有高透射率的导模共振，而对TE偏振的入射光没有，其中，TM偏振的入射光相位φi和透射光相位φt的相位差φt-φi与周期条件下光栅的周期和占空比有固定的对应关系。
如上所述的集成高对比度光栅的大面积探测超导单光子探测器，进一步地，制作所述光栅的材料为第一折射率材料，光栅间隙为空气或第二折射率材料，所述第一折射率材料的折射率高于所述第二折射率材料或空气的折射率。
如上所述的集成高对比度光栅的大面积探测超导单光子探测器，进一步地，所述光栅的参数选定方法包括如下步骤：
选定第一折射率材料；
运用矢量衍射理论的分析方法，在周期边界条件下，对不同周期和占空比的光栅进行扫描计算，获得各周期-占空比对应的透射率表和相位变化表；
筛选出表中透射率大于90％的点获得对应的相位变化表，根据聚焦条件函数
其中，r为距离光栅中心点的距离，λ为光在介质中光波长，f为设计焦距，
为任一固定相位值，选出各个距离处的周期和占空比；
迭代距离，对照相位变化表与聚焦条件函数选择参数，直到当距离光栅中心最远处rn的光栅单元对应的φ(rn)，满足φ(rn)-φ(r0)≥8π时，所选参数即一个具有聚焦效果的高对比度光栅的参数。
如上所述的集成高对比度光栅的大面积探测超导单光子探测器，进一步地，所述光栅的形状呈长方形或环形。
如上所述的集成高对比度光栅的大面积探测超导单光子探测器，进一步地，所述吸收层用于吸收光的部分为超导薄膜材料制成的纳米线，所述超导薄膜材料包括氮化铌或硅化钨。
如上所述的集成高对比度光栅的大面积探测超导单光子探测器，进一步地，所述纳米线的轮廓可以呈蜿蜒形、圆形或椭圆形，吸收层位于距离高对比度光栅一倍焦距的位置，超导纳米线下方有谐振层和反射层。
如上所述的集成高对比度光栅的大面积探测超导单光子探测器，进一步地，所述谐振层的材料与传导层的材料相同，所述谐振层和反射层构成谐振腔结构，所述反射层的可以为布拉格反射镜或高反射率的介质层，所述高反射率是指反射率大于95％，所述介质层包括金、银，所述谐振层的厚度基于入射光的波长确定。
如上所述的集成高对比度光栅的大面积探测超导单光子探测器，进一步地，谐振层的厚度的确定方法包括如下步骤：
入射光在二氧化硅介质里的波长除以4，取得初始厚度；
以所述初始厚度为原点，在原点附近四分之一波长的距离进行扫描计算，取结果里吸收最大时对应的厚度。
如上所述的集成高对比度光栅的大面积探测超导单光子探测器，进一步地，
所述第一折射率材料包括硅；
所述第二折射率材料包括二氧化硅；
所述红外波段包括1550纳米的通讯波段。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
1、将有聚焦能力的高对比度光栅加入到探测器的结构中，提升了探测器的有效探测面积；
2、在不增加纳米线面积的情况下提升探测器的探测面积，避免了增长纳米线引起的动态电感增加的问题；
3、对比多个探测器制成的阵列，避免了在器件制备加工以及读出电路的设计上的技术难题；
4、高对比度光栅结构对较长波段的光均有较好的聚焦能力，使得探测器具有宽响应谱的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图进行简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为器件设计结构示意图；
图2为高对比度光栅结构示意图；
其中，高对比度光栅呈非周期且每个单元具有不同的占空比的对称结构，d为高对比度光栅的厚度。
图3为高对比度光栅的设计示意图；
其中，rn表示各个光栅单元的中心位置，其中r0为光栅原点，光栅关于r0对称；pn为各个光栅单元的宽度；φ(rn)为该点处需要对应的相位值，只有符合聚焦条件函数才能让高对比度光栅实现聚焦。
图4为纳米线位置及谐振腔示意图；
其中，顶部阴影部分表示光的会聚区域，纳米线即设置在此处，形状可以是蜿蜒形、圆形、椭圆形等；dr为谐振层的厚度；下方为反射层。
元件标号说明
1、高对比度光栅层；2、传导层；3、吸收层；31、纳米线；4、谐振层；5、反射层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例：
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
参见图1至图4，图1为器件设计结构示意图；图2为高对比度光栅结构示意图；其中，高对比度光栅呈非周期且每个单元具有不同的占空比的对称结构，d为高对比度光栅的厚度。图3为高对比度光栅的设计示意图；其中，rn表示各个光栅单元的中心位置，其中r0为光栅原点，光栅关于r0对称；pn为各个光栅单元的宽度；φ(rn)为该点处需要对应的相位值，只有符合聚焦条件函数
才能让高对比度光栅实现聚焦。图4为纳米线位置及谐振腔示意图；其中，顶部阴影部分表示光的会聚区域，纳米线即设置在此处，形状可以是蜿蜒形、圆形、椭圆形等；dr为谐振层的厚度；下方为反射层。
作为一种可选的实施方式，在某些实施例中；
一种集成高对比度光栅的大面积探测超导单光子探测器，所述探测器包括：
探测器结构由上到下依次为：高对比度光栅层1、传导层2、吸收层3、谐振层4和反射层5；
由高折射率材料制成的高对比度光栅层。作为本发明的集成高对比度光栅的大面积探测超导单光子探测器的一种优选方案，所述高折射率材料为硅；
由较低折射率材料制成的传导层。作为本发明的集成高对比度光栅的大面积探测超导单光子探测器的一种优选方案，所述较低折射率材料为二氧化硅；
吸收层中含有由超导材料制成的纳米线31。作为本发明的集成高对比度光栅的大面积探测超导单光子探测器的一种优选方案，所述超导材料为氮化铌；
由较低折射率材料制成的谐振层。作为本发明的集成高对比度光栅的大面积探测超导单光子探测器的一种优选方案，所述较低折射率材料为二氧化硅；
由不吸收光的金属材料或布拉格反射镜制成的反射层。作为本发明的集成高对比度光栅的大面积探测超导单光子探测器的一种优选方案，所述不吸收光的金属材料为金。
其中，所述高对比度光栅层，由一种有聚焦能力的高对比度光栅构成。所述有聚焦能力的高对比度光栅，对较大范围的红外波段具有较好的聚焦能力。作为本发明的集成高对比度光栅的大面积探测超导单光子探测器的一种优选方案，所述红外波段为波长1550纳米的通讯光波段；
所述高对比度光栅的形状可以为长方形或环形。其中，长方形光栅的聚焦结果为光条，圆形光栅的聚焦结果为光斑。作为本发明的集成高对比度光栅的大面积探测超导单光子探测器的一种优选方案，所述高对比度光栅形状为长方形。
所述高对比度光栅的技术方案如下：
一种有聚焦能力的高对比度光栅，由高折射率材料制成，其光栅间隙为空气或由较低折射率材料填充，作为一种优选方案，所述高折射率材料为硅，较低折射率材料为二氧化硅。所述高对比度光栅在近红外1550纳米的通讯光波段有高的透射率和覆盖0到2π的相位变化。其中，相位变化
与高对比度光栅厚度d的关系为
n1为高对比度光栅材料的折射率，n2为光栅间隙介质的折射率，λ为入射光在介质中的波长。
所述高对比度光栅层中的有聚焦能力的高对比度光栅的光学性质与其厚度、长宽度和光栅中各光栅单元的宽度及占空比有关。一定波段的TM偏振光从空气或其他介质中垂直入射经过所述有聚焦能力的高对比度光栅后，将在光栅透射侧一倍焦距的位置聚焦。若高对比度光栅为长方形，则聚焦成一个光条；若高对比度光栅为圆形，则聚焦成一个光斑。
所述有聚焦能力的高对比度光栅的设计方法，包括如下步骤：
S1、选定高对比度光栅的高折射率材料；
S2、运用矢量衍射理论的分析方法，在周期边界条件下，对不同周期和占空比的光栅进行扫描计算，获得各周期-占空比对应的透射率表和相位变化表；
S3、筛选出表中透射率高(大于90％)的点获得对应的相位变化表，根据聚焦条件函数
其中，r为距离光栅中心点的距离，λ为光在介质中光波长，f为设计焦距，
为任一固定相位值，选出各个距离处的周期(宽度)和占空比。
S4、迭代距离，对照相位变化表与聚焦条件函数选择参数，直到当距离光栅中心最远处rn的光栅单元对应的φ(rn)，满足φ(rn)-φ(r0)≥8π时，所选参数即一个具有聚焦效果的高对比度光栅的参数。
在其中一个实施例中，所述高对比度光栅层的厚度为0.83微米，长和宽均为50.992微米，焦距40微米，光栅呈非周期排布。
光经高对比度光栅层后，再经过传导层，到达吸收层。
利用所述高对比度光栅层，可将探测器上方相当于光栅面积的光聚焦成一个宽度仅约5微米的光条或光斑。所述吸收层中的超导材料制成的纳米线即放置在此聚焦的位置。
其中，所述纳米线可以有不同的排布形状。作为本发明的集成高对比度光栅的大面积探测超导单光子探测器的一种优选方案，所述纳米线轮廓为蜿蜒形，具有一定的周期和填充系数。
所述谐振层通常选用与传导层同样的材料。谐振层的厚度取决于入射光的波长，通常为入射光在此介质中的波长的四分之一左右。若厚度未匹配，探测效率可能大幅下降。
所述反射层与谐振层构成一个谐振腔结构，用于将未被吸收的光反射重新到达纳米线被吸收，以增大探测效率。
进一步地，根据本发明的一种集成高对比度光栅的大面积超导纳米线单光子探测器的制备方法，包括如下步骤：
S1：在高阻硅衬底制备金反射层和二氧化硅谐振层；
S2：在吸收层部分采用磁控共溅射生长5nm至10nm厚的氮化铌或硅化钨超导薄膜；
S3：通过电子束曝光系统套刻和反应离子刻蚀制备蜿蜒的纳米线；
S4：使用等离子增强化学气相沉积生长二氧化硅传导层和光栅层的硅层部分；
S5：通过电子束曝光系统套刻和反应离子刻蚀机将硅层刻蚀成光栅，最终完成整个工艺制备。
下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
集成高对比度光栅的大面积探测超导单光子探测器总体技术方案分为以下几个方面：技术一是按需设计一个有聚焦能力的高对比度光栅结构；技术二是对纳米线位置和谐振腔结构的优化设计。
技术一：
高对比度光栅示意图如图2所示，光栅是非周期且具有不同占空比的。入射光经过不同的光栅位置将获得不同的相变。这些不同的相变将使继续往前传播的光在距离光栅一个焦距的位置产生聚焦。设计一个有聚焦能力的高对比度光栅结构，需要通过对该材料一个固定厚度的周期光栅进行周期-占空比的模拟扫描。在扫描结果中，具有高透射区域同时也覆盖0～2π的相位变化，即作为有聚焦能力的高对比度光栅参数的候选表。
根据聚焦条件函数
其中，r为距离光栅中心点的距离，λ为光波长，f为设计焦距，
为任一固定相位值，查表选出各个距离r处的周期(宽度)和占空比，即可组成一个具有聚焦能力的高对比度光栅。
技术二：纳米线及谐振腔示意图如图3所示，纳米线与反射层之间的较低折射率介质构成谐振腔。谐振腔的厚度通常为入射光在此介质中的波长的四分之一左右，但并不严格。需要通过模拟扫描获得谐振腔在各厚度时，纳米线对应的吸收率。当纳米线的吸收率达到最大，则该厚度即为谐振层的最佳厚度。同时，纳米线的厚度、占空比或排布形状对吸收也有一定的影响。可以通过对各参数的扫描，获得最大吸收的最优参数。
实施例2
一、设计集成高对比度光栅的大面积探测超导单光子探测器的光学结构以增大探测面积
为了提高探测器的有效探测面积，利用高对比度光栅层，将范围较大入射光会聚到宽度约5到10微米的较小区域，并在此处设置超导纳米线，对会聚的光进行吸收，即实现了用小区域的纳米线对大面积光的吸收。
二、设计集成高对比度光栅的大面积探测超导单光子探测器的光学结构以提高探测效率
因为光一次经过纳米线区域就被吸收的概率非常低，所以在纳米线背面设置了金反射层，使未被吸收的光反射重新经过纳米线区域，同时在纳米线与金反射层之间引入谐振腔的结构，其厚度大致为光在介质中的波长的四分之一，可以使光在此处产生谐振，反复经过纳米线区域，以增加被吸收的概率，即增大探测器的探测效率。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种集成高对比度光栅的大面积探测超导单光子探测器，其特征在于，包括由上到下依次设置的光栅层、传导层、吸收层、谐振层和反射层，其中，所述光栅层具有高折射率对比度的光栅，所述高折射率则是光栅与光栅间隙折射率相差在2倍及以上，所述光栅在红外波段具有高于90％的透射率和覆盖0到2π的相位变化且在光栅的不同位置具有不同的占空比，以将入射光经光栅会聚到超导薄膜材料制成的纳米线处，所述纳米线位于所述吸收层。
2.根据权利要求1所述的集成高对比度光栅的大面积探测超导单光子探测器，其特征在于，所述光栅对TM偏振的入射光具有高透射率的导模共振，而对TE偏振的入射光没有，其中，TM偏振的入射光相位φi和透射光相位φt的相位差φt-φi与周期条件下光栅的周期和占空比有固定的对应关系。
3.根据权利要求1所述的集成高对比度光栅的大面积探测超导单光子探测器，其特征在于，制作所述光栅的材料为第一折射率材料，光栅间隙为空气或第二折射率材料，所述第一折射率材料的折射率高于所述第二折射率材料或空气的折射率。
4.根据权利要求1所述的集成高对比度光栅的大面积探测超导单光子探测器，其特征在于，所述光栅的参数选定方法包括如下步骤：
选定第一折射率材料；
运用矢量衍射理论的分析方法，在周期边界条件下，对不同周期和占空比的光栅进行扫描计算，获得各周期-占空比对应的透射率表和相位变化表；
筛选出表中透射率大于90％的点获得对应的相位变化表，根据聚焦条件函数
其中，r为与光栅中心点的距离，λ为光在介质中的波长，f为设计焦距，
为任一固定相位值，选出各个距离r处的光栅单元的周期和占空比；
迭代距离，对照相位变化表与聚焦条件函数选择参数，直到当距离光栅中心最远处rn的光栅单元对应的φ(rn)，满足φ(rn)-φ(r0＝0)≥8π时，所选参数即一个具有聚焦效果的高对比度光栅的参数。
5.根据权利要求1所述的集成高对比度光栅的大面积探测超导单光子探测器，其特征在于，所述光栅的形状呈长方形或环形。
6.根据权利要求1所述的集成高对比度光栅的大面积探测超导单光子探测器，其特征在于，所述吸收层用于吸收光的部分为超导薄膜材料制成的纳米线，所述超导薄膜材料包括氮化铌或硅化钨。
7.根据权利要求6所述的集成高对比度光栅的大面积探测超导单光子探测器，其特征在于，所述纳米线的轮廓可以呈蜿蜒形、圆形或椭圆形，吸收层位于距离高对比度光栅一倍焦距的位置，超导纳米线下方有谐振层和反射层。
8.根据权利要求6所述的集成高对比度光栅的大面积探测超导单光子探测器，其特征在于，所述谐振层的材料与传导层的材料相同，二者构成谐振腔结构，所述反射层的可以为布拉格反射镜或高反射率的介质层，所述高反射率是指反射率大于95％，所述介质层包括金、银，所述谐振层的厚度基于入射光的波长确定。
9.根据权利要求6所述的集成高对比度光栅的大面积探测超导单光子探测器，其特征在于，谐振层的厚度的确定方法包括如下步骤：
入射光在二氧化硅介质里的波长除以4，取得初始厚度；
以所述初始厚度为原点，在原点附近四分之一波长的距离进行扫描计算，取结果里吸收最大时对应的厚度。
10.根据权利要求1至9任一所述的集成高对比度光栅的大面积探测超导单光子探测器，其特征在于，
所述第一折射率材料包括硅；
所述第二折射率材料包括二氧化硅；
所述红外波段包括1550纳米的通讯波段。
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