CN204632809U - 偏振非敏感且高效率的超导纳米线单光子探测器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种偏振非敏感且高效率的超导纳米线单光子探测器，包括衬底；介质半反镜，结合于所述衬底表面；下光学腔体，结合于所述介质半反镜表面；介质包裹层，结合于所述下光学腔体表面；NbN纳米线，结合于所述介质包裹层内部；上光学腔体，结合于所述介质包裹层表面；介质纳米线，结合于所述介质包裹层与上光学腔体之间；全反镜，结合于所述上光学腔体表面。本实用新型解决现有技术中超导纳米线单光子探测器对光偏振方向敏感的问题。
Description
技术领域
本实用新型属于光探测技术领域，涉及一种超导纳米线单光子探测器，特别是涉及一种偏振非敏感且高效率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（Superconducting Nanowire Single Photon Detector, SNSPD）是一种新型的单光子探测器，可以实现从可见光波段到红外波段的单光子探测。
SNSPD一般工作在低于4K的低温环境下，并加一略小于临界电流的偏置电流。当单光子被超导纳米线条吸收时，库珀电子对被破坏产生大量的热电子，在局部形成热点区域；如果光子能量足够高，产生的热点足够大，最终会在纳米线条上形成有阻区，纳米线条失超。经过一段弛豫时间之后，热电子与声电子相互作用重新形成库珀电子对，纳米线条重新恢复超导态。实际检测中，通过检测该有阻区来实现单光子的探测。
目前，超导纳米线单光子探测器的综合性能良好，具有暗计数低、探测速率高等优点，在量子通信、量子计算、深空通信、非线性光学等众多领域中具有十分重要的应用前景。
但是，与半导体单光子探测器相比，现有的超导纳米线单光子探测器存在一较大缺点：由于纳米线条光栅结构的各向异性，吸收率对入射光的偏振方向非常敏感。一般的解决方法是在超导纳米线单光子探测器前端连接偏振控制器，但此方法需要手工调节，从而制约了超导纳米线单光子探测器在实际应用中的灵活性；此外，在某些涉及随机偏振（如荧光）的应用场景，由于无法调节光的偏振方向，如使用现有的偏振敏感超导纳米线单光子探测器，其探测效率无法得到最优化。
因此，为了满足超导纳米线单光子探测器的实际应用需求，提供一种偏振非敏感且高效率的超导纳米线单光子探测器非常必要。
实用新型内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种偏振非敏感且高效率的超导纳米线单光子探测器，用于解决现有技术中超导纳米线单光子探测器对光偏振方向敏感的问题。
为了实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种偏振非敏感且高效率的超导纳米线单光子探测器，包括：
衬底；
介质半反镜，结合于所述衬底表面；
下光学腔体，结合于所述介质半反镜表面；
介质包裹层，结合于所述下光学腔体表面；
NbN纳米线，结合于所述介质包裹层内部；
上光学腔体，结合于所述介质包裹层表面；
介质纳米线，结合于所述介质包裹层与上光学腔体之间；
全反镜，结合于所述上光学腔体表面。
作为本实用新型的偏振非敏感且高效率的超导纳米线单光子探测器的一种优选方案，通过调节所述介质包裹层的厚度，可以使不同偏振方向的光吸收率相同。
作为本实用新型的偏振非敏感且高效率的超导纳米线单光子探测器的一种优选方案，通过调节所述介质半反镜的厚度，可以提高光吸收率。
作为本实用新型的偏振非敏感且高效率的超导纳米线单光子探测器的一种优选方案，通过调节所述介质纳米线的尺寸，可以使不同偏振方向的光吸收率峰值对应波长相同。
作为本实用新型的偏振非敏感且高效率的超导纳米线单光子探测器的一种优选方案，所述衬底的材料包括二氧化硅、蓝宝石或MgO等材料；所述介质半反镜的材料包括硅或GaAs等材料；所述介质包裹层的材料包括硅或GaAs等材料；所述介质纳米线的材料包括硅或GaAs等材料；所述下光学腔体和上光学腔体的材料包括二氧化硅或一氧化硅等材料；所述NbN纳米线厚度介于4纳米到8纳米之间，可包裹在所述介质包裹层的中间、上端或者下端位置；所述全反镜的材料为金属或布拉格多层介质反射镜。
综上所述，本实用新型提供一种偏振非敏感且高效率的超导纳米线单光子探测器，包括衬底；介质半反镜，结合于所述衬底表面；下光学腔体，结合于所述介质半反镜表面；介质包裹层，结合于所述下光学腔体表面；NbN纳米线，结合于所述介质包裹层内部；上光学腔体，结合于所述介质包裹层表面；介质纳米线，结合于所述介质包裹层与上光学腔体之间；全反镜，结合于所述上光学腔体表面。本实用新型通过调节所述介质包裹层的厚度、介质半反镜的厚度和介质纳米线的尺寸，可以实现光吸收率的偏振非敏感性，且具有较高的吸收效率，具有高度产业利用价值。
附图说明
图1为本实用新型的一种偏振非敏感且高效率的超导纳米线单光子探测器的结构截面示意图。
图2为本实用新型的一种偏振非敏感且高效率的超导纳米线单光子探测器的“波长-吸收率”响应曲线，通过调节介质包裹层的厚度、介质半反镜的厚度和介质纳米线的尺寸，对不同偏振状态的光信号，超导纳米线单光子探测器的“波长-吸收率”曲线几乎完全重合，且具有较高的峰值吸收效率。
元件标号说明
1：衬底，2：介质半反镜，3：下光学腔体，4：介质包裹层，5：NbN纳米线，6：介质纳米线，7：上光学腔体，8：全反镜。
具体实施方式
以下通过特定的具体的实施例说明本实用新型的具体实施方式，本领域技术人员可根据本说明书所揭露的内容轻易的了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过其他不同的具体的实施方式加以实施或者应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在不背离本实用新型的精神下进行各种修饰或者改变。
请参阅图1及图2。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，因此图示中仅仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施中各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
实施例
如图1及图2所示，本实施例提供一种偏振非敏感且高效率的超导纳米线单光子探测器，包括：
衬底1；
介质半反镜2，结合于所述衬底1表面；
下光学腔体3，结合于所述介质半反镜2表面；
介质包裹层4，结合于所述下光学腔体3表面；
NbN纳米线5，结合于所述介质包裹层4内部；
上光学腔体7，结合于所述介质包裹层4表面；
介质纳米线6，结合于所述介质包裹层4与上光学腔体7之间；
全反镜8，结合于所述上光学腔体7表面。
作为示例，本实施例设计的偏振非敏感且高吸收率的超导纳米线单光子探测器，可以通过调节所述介质包裹层4的厚度，使不同偏振方向的光吸收率相同。
作为示例，本实施例设计的偏振非敏感且高吸收率的超导纳米线单光子探测器，可以通过调节所述介质半反镜2的厚度，使光吸收率峰值变大。
作为示例，本实施例设计的偏振非敏感且高吸收率的超导纳米线单光子探测器，可以通过调节所述介质纳米线6的尺寸，使不同偏振方向的光吸收率峰值对应波长相同。
作为示例，所述衬底1的材料包括二氧化硅、蓝宝石或MgO等材料。本实施例中，所述衬底材料为二氧化硅，厚度为400纳米。当然，其他种类的衬底或者厚度也可能适用于本实用新型，因此，并不限定于本实施例。
作为示例，所述介质半反镜2的材料包括硅、GaAs等材料。本实施例中，介质半反镜的材料为硅，厚度为86纳米。当然，其他材料或者厚度的介质半反镜也可能适用于本实用新型，因此，并不限定于本实施例。
作为示例，所述下光学腔体3和上光学腔体7的材料包括二氧化硅、一氧化硅等材料。本实施例中，所述下光学腔体和上光学腔体的材料为二氧化硅，所述下光学腔体的厚度为159纳米，所述上光学腔体的厚度为115纳米。
作为示例，所述介质包裹层4的材料包括硅、GaAs等材料。本实施例中，所述介质包裹层的材料为硅，厚度为45纳米。
作为示例，所述NbN纳米线5的厚度介于4纳米到8纳米之间，可包裹在所述介质包裹层4的中间、上端或者下端位置。本实施例中，所述NbN纳米线5的厚度为4纳米，包裹在所述介质包裹层4的中间位置，与介质包裹层4底部的距离为20.5纳米，占空比为0.5，所述占空比是指NbN纳米线的宽度与器件横向周期的比值。
作为示例，所述介质纳米线6的材料包括硅、GaAs等材料。本实施例中，所述介质纳米线的材料为硅，厚度为30纳米，占空比为0.48，所述占空比是指介质纳米线的宽度与器件横向周期的比值。
作为示例，所述全反镜8的材料包括金属或布拉格多层介质反射镜。本实施例中，所述全反镜的材料为金属Au，厚度为400纳米。
作为示例，入射光的偏振方向包括与NbN纳米线5平行、垂直或其他方向，光吸收率的中心波长可以为任意值。本实施例中，入射光的偏振方向为与NbN纳米线方向平行（TE）和垂直（TM）两种情况，针对的中心波长为1550纳米。
图2显示为本实例的偏振非敏感且高吸收率的超导纳米线单光子探测器的有限元仿真结果图，由图2可知，对入射光平行（TE）和垂直（TM）两种不同偏振态，光吸收率的中心波长均在1550nm波长附近，吸收率峰值可以同时达到94.6%，并且两种情况的“波长-吸收率”曲线几乎完全重合。因此，本实用新型的超导纳米线单光子探测器不仅具有偏振非敏感性，而且具有较高的吸收效率。
综上所述，本实用新型提供一种偏振非敏感且高效率的超导纳米线单光子探测器，包括衬底1；介质半反镜2，结合于所述衬底1表面；下光学腔体3，结合于所述介质半反镜2表面；介质包裹层4，结合于所述下光学腔体3表面；NbN纳米线5，结合于所述介质包裹层4内部；上光学腔体7，结合于所述介质包裹层4表面；介质纳米线6，结合于所述介质包裹层4与上光学腔体7之间；全反镜8，结合于所述上光学腔体7表面。本实用新型通过调节所述介质半反镜2的厚度、介质纳米线6的尺寸和介质包裹层4的厚度，可以实现光吸收效率的偏振非敏感性，且具有较高的吸收效率。因此，本实用新型有效克服了现有技术中偏振敏感的缺点，具有高度产业利用价值。上述实施例仅示例性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或者改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或者改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种偏振非敏感且高效率的超导纳米线单光子探测器，其特征在于，包括：
衬底(1)；
介质半反镜(2)，结合于所述衬底(1)表面；
下光学腔体(3)，结合于所述介质半反镜(2)表面；
介质包裹层(4)，结合于所述下光学腔体(3)表面；
NbN纳米线(5)，结合于所述介质包裹层(4)内部；
上光学腔体(7)，结合于所述介质包裹层(4)表面；
介质纳米线(6)，结合于所述介质包裹层(4)与上光学腔体(7)之间；
全反镜(8)，结合于所述上光学腔体(7)表面。
2.根据权利要求1所述偏振非敏感且高效率的超导纳米线单光子探测器，其特征在于：所述衬底(1)的材料包括二氧化硅、蓝宝石或MgO材料。
3.根据权利要求1所述偏振非敏感且高效率的超导纳米线单光子探测器，其特征在于：所述介质半反镜(2)的材料包括硅或GaAs材料。
4.根据权利要求1所述偏振非敏感且高效率的超导纳米线单光子探测器，其特征在于：所述介质包裹层(4)的材料包括硅或GaAs材料。
5.根据权利要求1所述偏振非敏感且高效率的超导纳米线单光子探测器，其特征在于：所述介质纳米线(6)的材料包括硅或GaAs材料。
6.根据权利要求1所述偏振非敏感且高效率的超导纳米线单光子探测器，其特征在于：所述下光学腔体(3)和上光学腔体(7)的材料包括二氧化硅或一氧化硅材料。
7.根据权利要求1所述偏振非敏感且高效率的超导纳米线单光子探测器，其特征在于：所述NbN纳米线(5)的厚度介于4纳米到8纳米之间。
8.根据权利要求1所述偏振非敏感且高效率的超导纳米线单光子探测器，其特征在于：所述NbN纳米线(5)包裹在所述介质包裹层(4)的中间、上端或者下端位置。
9.根据权利要求1所述偏振非敏感且高效率的超导纳米线单光子探测器，其特征在于：所述全反镜(8)的材料为金属或布拉格多层介质反射镜。
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2015
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