CN207068893U - 一种带相位光栅和背面金反射层的超导单光子探测器 - Google Patents

一种带相位光栅和背面金反射层的超导单光子探测器 Download PDF

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顾敏
刘冬梅
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Abstract

本实用新型提出一种带相位光栅和背面金反射层的超导单光子探测器，包括硅基衬底、金反射层、中间层、电极、氮化铌纳米线、相位光栅和栅台，所述硅基衬底上设有金反射层，所述金反射层上设有中间层，所述中间层上设有氮化铌纳米线，形成纳米线区，所述氮化铌纳米线的两端设有电极，所述氮化铌纳米线上设有相位光栅，所述相位光栅上设有栅台；所述金反射层的厚度大于100nm。本实用新型的带相位光栅和背面金反射层的超导单光子探测器在纳米线区上的相位光栅对光束产生干涉聚焦效果，氮化铌纳米线位于焦点位置，背面有金反射层将入射透过纳米线的光反射回纳米线，从而提高了氮化铌纳米线对光子的吸收效率。

Description

一种带相位光栅和背面金反射层的超导单光子探测器
技术领域
本实用新型涉及一种高灵敏的单光子或极微弱光信号检测器，具体涉及一种带相位光栅和背面金反射层的超导单光子探测器。
背景技术
当超导薄膜远低于临界温度时，超导体处于超导态。在此时，如果给该薄膜通过上电流，当电流高于某一值时，超导态就会被破坏而转变为正常态，这个电流就称为临界电流，单位截面上通过的电流就成为临界电流密度。如果将超导薄膜加工成纳米条，置于远低于其临界温度环境，并通上略低于低于临界电流的电流时，该超导纳米条对入射的光子就非常敏感，利用这一原理人们发明了超导单光子检测器。
超导纳米线单光子探测器是目前国际上研究最为热门的单光子探测器结构，它利用很薄的超导薄膜(通常厚度为4nm到10nm)，制备成宽50 到100nm的纳米线，在超导临界温度以下，通以低于超导临界电流的偏置电流，当光子打在纳米线上被纳米线吸收形成热岛，使得纳米线上电流密度大于超导电流密度，从而失超，产生一个电压脉冲，被读出电路获得，得到一个光子的响应。目前用来做纳米线的超导材料主要是氮化铌和铌钛氮两种。但是目前由于氮化铌薄膜本身对光的吸收效率并不高，导致超导单光子探测器的系统探测效率低下。
实用新型内容
本实用新型的目的是提出一种带相位光栅和背面金反射层的超导单光子探测器，达到提高超导薄膜纳米线对光子吸收的效率和灵敏度。
本实用新型是通过以下技术方案来实现的：
一种带相位光栅和背面金反射层的超导单光子探测器，包括硅基衬底、金反射层、中间层、电极、氮化铌纳米线、相位光栅和栅台，所述硅基衬底上设有金反射层，所述金反射层上设有中间层，所述中间层上设有氮化铌纳米线，形成纳米线区，所述氮化铌纳米线的两端设有电极，所述氮化铌纳米线上设有相位光栅，所述相位光栅上设有栅台；所述金反射层的厚度大于 100nm。
进一步地，所述栅台的高H为其中，λ为入射光波长，n1为相位光栅材料折射率，n2为相位光栅外介质的折射率，n为正整数；所述相位光栅的厚度D满足其中λ为入射光波长，n1为金反射层材料折射率，n为正整数；所述中间层的厚度L满足其中，λ为入射光波长，n1为金反射层材料折射率，n为正整数。
进一步地，所述中间层和相位光栅由二氧化硅材料制成。
本实用新型的优点是：本实用新型的带相位光栅和背面金反射层的超导单光子探测器在纳米线区上的相位光栅对光束产生干涉聚焦效果，氮化铌纳米线位于焦点位置，背面有金反射层将入射透过纳米线的光反射回纳米线，从而提高了氮化铌纳米线对光子的吸收效率。
附图说明
图1是本实用新型的的结构示意图。
图2是本实用新型的纳米线区的立体结构示意图。
图中：1、硅基衬底，2、金反射层，3、中间层，4、电极，5、氮化铌纳米线，6、相位光栅，7、栅台。
具体实施方式
实施例
如图1和图2所示，一种带相位光栅和背面金反射层的超导单光子探测器，包括硅基衬底1、金反射层2、中间层3、电极4、氮化铌纳米线5、相位光栅6和栅台7，所述硅基衬底1上设有金反射层2，所述金反射层2 上设有中间层3，所述中间层3上设有氮化铌纳米线5，形成纳米线区，所述氮化铌纳米线5的两端设有电极4，所述氮化铌纳米线5上设有相位光栅6，所述相位光栅6上设有栅台7；所述金反射层2的厚度大于100nm。
其中，所述栅台7的高H为其中，λ为入射光波长，n1为相位光栅材料折射率，n2为相位光栅外介质的折射率，n为正整数；所述相位光栅6的厚度D满足其中λ为入射光波长，n1为金反射层材料折射率，n为正整数；所述中间层3的厚度L满足其中，λ为入射光波长，n1为金反射层材料折射率，n为正整数。所述中间层3和相位光栅 6由二氧化硅材料制成。
本实用新型的原理如下，当光波从上表面入射经过相位光栅6时，由于栅台7的存在，使一束光分为两束存在π相位的光，相互干涉，形成明暗相间的条纹，对入射光波产生会聚效果，氮化铌纳米线位于焦点位置，光经过纳米线部分被吸收，其他部分透过纳米线继续前行，到二氧化硅与金反射层界面，由于金层对光具有不吸收、高反射特性，所有光子被反射回，又因为两层二氧化硅厚度刚好是半波长的整数倍，纳米线位于光强最强处，被反射回的光子将被全部被氮化铌纳米线吸收。
结果表明，该带相位光栅和背面金反射层的超导纳米线单光子探测器，在可见光和红外的多个频率段，均具有很高的探测效率，在1550nm波长，光子的吸收效率高达85％，在743nm,780nm,975nm,1350nm和1450nm 吸收效率分别达到50.2％,57％,65.1％,70.3％,和80％。
上列详细说明是针对本实用新型可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本实用新型的专利范围，凡未脱离本实用新型所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (3)

1.一种带相位光栅和背面金反射层的超导单光子探测器，其特征在于，包括硅基衬底(1)、金反射层(2)、中间层(3)、电极(4)、氮化铌纳米线(5)、相位光栅(6)和栅台(7)，所述硅基衬底(1)上设有金反射层(2)，所述金反射层(2)上设有中间层(3)，所述中间层(3)上设有氮化铌纳米线(5)，形成纳米线区，所述氮化铌纳米线(5)的两端设有电极(4)，所述氮化铌纳米线(5)上设有相位光栅(6)，所述相位光栅(6)上设有栅台(7)；所述金反射层(2)的厚度大于100nm。
2.根据权利要求1所述的带相位光栅和背面金反射层的超导单光子探测器，其特征在于，所述栅台(7)的高H为其中，λ为入射光波长，n1为相位光栅材料折射率，n2为相位光栅外介质的折射率，n为正整数；所述相位光栅(6)的厚度D满足其中λ为入射光波长，n1为金反射层材料折射率，n为正整数；所述中间层(3)的厚度L满足其中，λ为入射光波长，n1为金反射层材料折射率，n为正整数。
3.根据权利要求1或2所述的带相位光栅和背面金反射层的超导单光子探测器，其特征在于，所述中间层(3)和相位光栅(6)由二氧化硅材料制成。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111129279A (zh) * 2019-12-23 2020-05-08 中国科学院紫金山天文台 集成多层光学薄膜的超导tes单光子探测器和制备方法
CN113252191A (zh) * 2021-04-06 2021-08-13 华南师范大学 一种集成高对比度光栅的大面积探测超导单光子探测器
CN114485965A (zh) * 2020-11-12 2022-05-13 中国科学院微电子研究所 FeSe超导纳米线及其制备方法

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