CN210719422U - 背面光耦合超导纳米线单光子探测器件及测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种背面光耦合超导纳米线单光子探测器件及测试装置，背面光耦合超导纳米线单光子探测器件包括器件光敏区域及定位环。测试装置包括封装件及套管，背面光耦合超导纳米线单光子探测器件固定于封装件中，并通过套管与封装件及光纤插头的连接，使得光纤插头的中心与背面光耦合超导纳米线单光子探测器件的中心位于同一垂线上。本实用新型制备具有特殊形貌的背面光耦合超导纳米线单光子探测器件并与测试装置配合应用，实现高稳定性的自对准光耦合；且利用μm级的标记刻度尺，结合光学显微镜可以直接量化对光误差，使得对光误差控制在μm量级。

Description

背面光耦合超导纳米线单光子探测器件及测试装置

技术领域

本实用新型属于光探测技术领域，涉及一种背面光耦合超导纳米线单光子探测器件及测试装置。

背景技术

超导纳米线单光子探测器(Superconducting nanowire single photondetector，SNSPD)是近十几年发展起来的新型单光子探测技术，其相对于半导体探测器的最大的优势就是其超高的探测效率、快速响应速度以及几乎可以忽略的暗计数，且光谱响应范围可覆盖可见光至红外波段。2001年，莫斯科师范大学Gol’tsman小组首先利用5nm厚的NbN超薄薄膜制备了一条200nm宽的超导纳米线，成功实现了可见光到近红外波段的单光子探测，开启了超导纳米线单光子探测器的先河。此后，欧、美、俄、日等多个国家和研究小组纷纷开展了对SNSPD的研究。经过十余年的发展，SNSPD在1.5μm波长的探测效率从开始的不足1％已经提升到70％以上，甚至超过90％，远超过半导体单光子探测器的探测效率。除此之外，其在暗计数、低时间抖动、高计数率等方面的优异性能已经在众多应用领域得到了验证。因此，在近红外波段附近具有优良性能表现的SNSPD无疑为激光雷达、量子信息等应用提供了很好的工具。

目前SNSPD已成为超导电子学和单光子探测领域的研究热点，并有力的推动了量子信息、激光雷达等领域的科技发展。国际上SNSPD领域研究著名机构包括，美国的MIT、JPL、NIST、日本的NICT、俄罗斯的MSPU等。目前光纤通信波段1550nm，探测效率最高的器件为美国NIST采用极低温超导材料WSi(工作温度<1K)研发，探测效率高达93％，而采用低温超导材料NbN(工作温度>2K)研发的SNSPD最高探测效率也达到了80％以上。除科研机构外，国际上目前已有6家主要从事SNSPD相关技术产品的公司。

随着SNSPD技术发展，近年来其应用范围从1550nm波段延伸到可见及近红外其他波段。一方面体现在研究人员对不同波段探测器的需求日益增加，另一方面多波光的应用需要探测器同时实现几个不同波长的高效探测。

现有的单光子探测器有两种典型器件结构，即基于镜面结构(金属反射镜或介质高反膜结构反射镜)的正面光耦合器件及基于光学腔的背面光耦合器件。其光耦合方式按照光传输到光敏面的方式分为自空间光耦合、光纤耦合和波导耦合这三种主要方式，由于受限于SNSPD的工作环境需要液氦温度以下，其中基于光纤耦合方式的SNSPD是目前应用最为广泛的。

SNSPD在进行光纤耦合时，主要依靠机械调节法进行固定封装，并使用光学方式观察光斑与光敏面，即将光纤出射的光斑打到SNSPD光敏面上，在显微镜下，通过调节光纤端面和SNSPD光敏面的相对位置，然后机械固定光纤与SNSPD的位置，进行光耦合测试。然而，现有的背面光耦合超导纳米线单光子探测器件无法直接观测光敏面，且由于G-M制冷在工作中存在有一定频率的机械运动，测试装置需要经历从室温到液氦温区的升降温，则测试装置材料本身的热胀冷缩会导致光纤出射的光斑在低温下有几率出现偏移(通常为μm量级)。

因此，提供一种背面光耦合超导纳米线单光子探测器件及测试装置，以解决背面光耦合超导纳米线单光子探测器件无法直接观测光敏面的缺点，提高光耦合对准精度，减小光耦合测试中升降温存在的随机光斑偏移问题，实现高稳定性的自对准光耦合，实属必要。

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背面光耦合超导纳米线单光子探测器件及测试装置，用于解决现有技术中在对背面光耦合超导纳米线单光子探测器件进行光耦合时所存在的上述一系列的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种背面光耦合超导纳米线单光子探测器件，所述背面光耦合超导纳米线单光子探测器件包括：

器件光敏区域；

定位环，所述定位环包括至少一个定位环开口，所述定位环贯穿所述超导纳米线单光子探测器件，且所述定位环位于所述器件光敏区域外围。

可选地，所述器件光敏区域的中心还包括标记刻度尺，通过所述标记刻度尺将对光精度量化。

可选地，所述定位环的中心与所述器件光敏区域的中心位于同一垂线上。

本实用新型还提供一种用于测试上述背面光耦合超导纳米线单光子探测器件的测试装置，所述测试装置包括：

封装件，所述封装件包括第一部件及第二部件，所述第一部件包括槽体，所述槽体与所述定位环对应设置，所述第二部件包括贯通孔，所述贯通孔显露所述器件光敏区域及定位环，所述第一部件与所述第二部件之间包括容纳所述背面光耦合超导纳米线单光子探测器件的容纳空间，且所述容纳空间与所述槽体及贯通孔相连通；

套管，所述套管包括第一端及对应的第二端，所述套管的第一端与所述槽体对应设置，且所述套管的第一端经所述贯通孔及容纳空间与所述槽体相连接，所述套管的第二端与光纤插头相连接。

可选地，所述容纳空间位于所述第一部件内，所述第二部件包括PCB电路板，且所述PCB电路板与所述背面光耦合超导纳米线单光子探测器件电连接。

可选地，所述光纤插头的中心、所述套管的中心、所述容纳空间的中心与所述槽体的中心位于同一垂线上。

可选地，所述套管及封装件的材质包括陶瓷或金属。

可选地，所述第一部件与所述第二部件的连接方式包括卡固、销固及螺纹连接中的一种或组合；所述套管与所述光纤插头的连接方式包括紧配合，所述套管与所述槽体的连接方式包括紧配合。

如上所述，本实用新型的背面光耦合超导纳米线单光子探测器件及测试装置，通过制备具有特殊形貌的背面光耦合超导纳米线单光子探测器件及设计用于测试背面光耦合超导纳米线单光子探测器件的测试装置，使得背面光耦合超导纳米线单光子探测器件固定于封装件中，并通过套管与封装件及光纤插头的连接，使得光纤插头的中心与背面光耦合超导纳米线单光子探测器件的中心位于同一垂线上，从而实现光纤出射光与背面光耦合超导纳米线单光子探测器件的自对准；且通过在器件光敏区域的中心制备标记刻度尺，可通过标记刻度尺将对光精度量化。本实用新型解决了背面光耦合在对光中存在无法直接观测光敏面的缺点，测试装置采用低热膨胀系数材质，且套管以紧配合方式连接，从而大大减小光耦合测试中升降温存在的随机光斑偏移，减小系统性的对光误差，实现高稳定性的自对准光耦合，进一步的利用微纳加工技术的亚微米级高加工精度，加工出几何尺寸进度为μm级的自对准器件，并利用μm级的标记刻度尺，结合光学显微镜可以直接量化对光误差，使得对光误差控制在μm量级。

附图说明

图1显示为本实用新型中的背面光耦合超导纳米线单光子探测器件的俯视结构示意图。

图2显示为图1中沿A-A’方向形成的背面光耦合超导纳米线单光子探测器件的截面结构示意图。

图3显示为本实用新型中的具有标记刻度尺的背面光耦合超导纳米线单光子探测器件的俯视结构示意图。

图4显示为图3中沿B-B’方向形成的背面光耦合超导纳米线单光子探测器件的截面结构示意图。

图5显示为本实用新型中的制备背面光耦合超导纳米线单光子探测器件的方法的工艺流程图。

图6显示为本实用新型中的测试装置的结构示意图。

图7显示为图6中沿C-C’方向形成的截面结构示意图。

元件标号说明

100 背面光耦合超导纳米线单光子探测器件

101 器件光敏区域

102 定位环

10 Si衬底

20 NbN超导纳米线

30 SiO层

40 金属Ag层

50 SiO₂下抗反射层

60 SiO₂上抗反射层

70 标记刻度尺

210 封装件

211 第一部件

212 第二部件

2121 电极

220 套管

300 光纤插头

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地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另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图7。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，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1本实施例提供一种背面光耦合超导纳米线单光子探测器件100，所述背面光耦合超导纳米线单光子探测器件100包括：器件光敏区域101及定位环102，所述定位环102包括至少一个定位环开口，所述定位环102贯穿所述背面光耦合超导纳米线单光子探测器件100，且所述定位环102位于所述器件光敏区域101外围。

具体的，所述定位环开口作为所述背面光耦合超导纳米线单光子探测器件100的连接部，以连接所述器件光敏区域101。具有特殊形貌的贯穿所述背面光耦合超导纳米线单光子探测器件100的所述定位环102与后续的测试装置中的套管220相配合，通过所述测试装置，可实现所述背面光耦合超导纳米线单光子探测器件100的自对准，以实现高稳定性的自对准光耦合，具体实现方式后续将进行详细阐述。

作为示例，所述定位环102的中心与所述器件光敏区域101的中心位于同一垂线上。

作为示例，所述定位环102的形状可以根据实际需要进行设定，所述定位环102的形状可以包括带有所述定位环开口的圆环状、方环状等等。优选地，本实施例中，所述定位环102的形状采用圆环状，以便于后续对所述测试装置的加工。

作为示例，所述背面光耦合超导纳米线单光子探测器件100包括衬底、超导纳米线及金属反射镜光学腔，进一步的，所述背面光耦合超导纳米线单光子探测器件100的所述衬底的上表面还设有上抗反射层，所述衬底的下表面还设有下抗反射层。

作为示例，所述衬底可包括Si衬底10、MgO衬底或蓝宝石衬底，具体可根据制备工艺的选择进行确定；所述衬底的厚度可以根据实际需要进行设定，如所述衬底的厚度可以为但不仅限于300μm～500μm。优选地，本实施例中，所述衬底选用常用的Si衬底10，所述Si衬底10的厚度选为400μm。当然，其他种类的衬底或厚度也可能适用于本实用新型，因此，并不限定于此处所列举的示例。

作为示例，所述超导纳米线可包括NbN超导纳米线20、Nb超导纳米线、TaN超导纳米线、MoSi超导纳米线、MoGe超导纳米线、NbTiN超导纳米线或WSi超导纳米线。

作为示例，所述超导纳米线可包括曲折蜿蜒形状；所述超导纳米线的轮廓可包括圆形、椭圆形及多边形中的一种或组合，具体可根据需要进行选择。

作为示例，所述超导纳米线的宽度可以为50nm～100nm，所述超导纳米线的厚度可以为5nm～10nm，所述超导纳米线的尺寸及具体形貌可以根据实际需要进行设定。

具体的，本实施例中，所述超导纳米线采用所述NbN超导纳米线20，厚度为7nm，形貌为呈周期性曲折蜿蜒形状，且每个折弯处均为直角或U形拐角，但所述NbN超导纳米线20的尺寸及形貌并非局限于此。

作为示例，所述金属反射镜光学腔可包括依次堆叠的SiO层30及金属Ag层40，但并非局限于此，所述SiO层30也可采用SiO₂层，所述金属Ag层40也可采用Au或Al，所述上抗反射层可采用SiO₂上抗反射层60，所述下抗反射层可采用SiO₂下抗反射层50，但并非局限于此，也可采用SiO层作为所述上抗反射层或下抗反射层的材料。

作为示例，所述器件光敏区域101的中心还包括标记刻度尺70，通过所述标记刻度尺70将对光精度量化。

具体的，优选所述标记刻度尺70在形成所述NbN超导纳米线20的同时形成，但并非局限于此。如图3及图4，所述标记刻度尺70显露于所述金属反射镜光学腔，从而可通过所述标记刻度尺70将对光精度量化。本实施例中利用微纳加工技术的亚微米级高加工精度，加工出几何尺寸进度为μm级的自对准器件，并利用μm级的所述标记刻度尺70，结合光学显微镜可以直接量化对光误差，使得对光误差控制在μm量级。

如图5，本实施例还提供一种制备背面光耦合超导纳米线单光子探测器件的方法，包括以下步骤：

提供衬底，所述衬底包括第一表面及与所述第一表面对应设置的第二表面；

于所述衬底的第一表面上形成超导纳米线；

于所述衬底的第一表面上形成金属反射镜光学腔；

于所述衬底的第二表面上形成光刻胶，图形化所述光刻胶，且以图形化的所述光刻胶作为掩膜，进行刻蚀，形成定位环，其中，所述定位环贯穿所述超导纳米线单光子探测器件，所述定位环包括至少一个定位环开口，且所述定位环位于器件光敏区域外围。

作为示例，当所述器件光敏区域的中心还包括标记刻度尺时，优选所述标记刻度尺在形成所述超导纳米线的同时形成，且所述标记刻度尺显露于所述金属反射镜光学腔，以通过所述标记刻度尺将对光精度量化。

具体的，所述背面光耦合超导纳米线单光子探测器件的结构及材质的选择可参阅上述背面光耦合超导纳米线单光子探测器件100，此处不作赘述。在形成所述超导纳米线时，可采用EBL工艺，形成所述金属反射镜光学腔时，可采用电子束蒸发蒸镀所述SiO层30及金属Ag层40，及在形成所述定位环时，可采用ICP刻蚀工艺刻蚀。所述标记刻度尺在形成所述超导纳米线的同时形成，可进一步的提高所述标记刻度尺的位置精度。

如图6～图7，本实施例还提供一种用于测试所述背面光耦合超导纳米线单光子探测器件100的测试装置，所述测试装置包括：封装件210，所述封装件210包括第一部件211及第二部件212，所述第一部件211包括槽体，所述槽体与所述定位环102对应设置，所述第二部件212包括贯通孔，所述贯通孔显露所述器件光敏区域101及定位环102，所述第一部件211与所述第二部件212之间包括容纳所述背面光耦合超导纳米线单光子探测器件100的容纳空间，且所述容纳空间与所述槽体及贯通孔相连通；

套管220，所述套管220包括第一端及对应的第二端，所述套管220的第一端与所述槽体对应设置，且所述套管220的第一端经所述贯通孔及容纳空间与所述槽体相连接，所述套管220的第二端与所述光纤插头300相连接。

作为示例，优选所述槽体与所述背面光耦合超导纳米线单光子探测器件100的所述定位环102具有相同形貌且可在垂直方向上相重合，以便于所述槽体对所述背面光耦合超导纳米线单光子探测器件100的支撑。优选所述套管220的第一端与所述背面光耦合超导纳米线单光子探测器件100的所述定位环102具有相同形貌且可在垂直方向上相重合，便于所述套管220与所述槽体及所述背面光耦合超导纳米线单光子探测器件100的连接。

作为示例，所述容纳空间可位于所述第一部件211内，所述容纳空间也可位于所述第二部件212内或由所述第一部件211与所述第二部件212组合形成，具体可根据所述第一部件211与所述第二部件212的材质进行选择，以便于加工制备。

作为示例，所述第二部件212包括PCB电路板，且所述PCB电路板与所述背面光耦合超导纳米线单光子探测器件100电连接，以便于简化所述测试设备的结构，且便于后续对所述背面光耦合超导纳米线单光子探测器件100的光耦合测试，但并非局限于此。本实施例中优选所述第二部件212采用所述PCB电路板且所述PCB电路板上设置有电极2121，所述容纳空间位于所述第一部件211内，且所述背面光耦合超导纳米线单光子探测器件100部分显露出所述容纳空间，以便于通过所述背面光耦合超导纳米线单光子探测器件100与所述电极2121电连接，但所述背面光耦合超导纳米线单光子探测器件100的电连接方式并非局限于此，也可采用其他连接方式，此处不作过分限制。

作为示例，所述光纤插头300的中心、所述套管220的中心、所述容纳空间的中心与所述槽体的中心位于同一垂线上，以进一步的提高自对准光耦合的精度。

作为示例，优选所述套管220及封装件210的材质采用低热膨胀系数材质，如陶瓷、金属等，以便于在进行光耦合时，减小测试装置因升降温引起测试装置材料本身的热胀冷缩所导致的光纤出射光斑在低温下有几率出现偏移的问题，提高光耦合对准精度，实现高稳定性的自对准光耦合。

作为示例，所述第一部件211与所述第二部件212的连接方式包括卡固、销固及螺纹连接中的一种或组合。

作为示例，所述套管220与所述光纤插头300的连接方式包括紧配合，所述套管220与所述槽体的连接方式包括紧配合，从而降低所述光纤插头300、所述套管220及所述槽体在升降温中造成的随机光斑偏移。

具体的，如图6及图7，本实施例中，容纳所述背面光耦合单光子探测器件100的所述容纳空间位于所述第一部件211内，且所述背面光耦合单光子探测器件100部分显露出所述容纳空间，所述第二部件212采用所述PCB电路板，所述PCB电路板上设置有电极2121，以通过所述电极2121直接与显露出所述容纳空间的所述背面光耦合单光子探测器件100电连接；所述槽体与所述定位环102具有相同形貌且在垂线上可相重合，以便于支撑所述背面光耦合单光子探测器件100，以及便于所述槽体及背面光耦合单光子探测器件100与所述套管220的紧配合；所述槽体贯穿所述第一部件211，以进一步的提高所述槽体与所述套管220的紧配合；优选所述PCB电路板上设置的所述贯通孔的边缘与所述定位环102的边缘在垂线上重合，在避免对所述光纤插头300的出射光的阻挡的前提下，便于所述套管220与所述PCB电路板的紧配合；所述光纤插头300与所述套管220的连接方式优选紧配合；从而使得所述套管220以紧配合方式连接，实现高稳定性的自对准光耦合。

综上所述，本实用新型的背面光耦合超导纳米线单光子探测器件及测试装置，通过制备具有特殊形貌的背面光耦合超导纳米线单光子探测器件及设计用于测试背面光耦合超导纳米线单光子探测器件的测试装置，使得背面光耦合超导纳米线单光子探测器件固定于封装件中，并通过套管与封装件及光纤插头的连接，使得光纤插头的中心与背面光耦合超导纳米线单光子探测器件的中心位于同一垂线上，从而实现光纤出射光与背面光耦合超导纳米线单光子探测器件的自对准；且通过在器件光敏区域的中心制备标记刻度尺，可通过标记刻度尺将对光精度量化。本实用新型解决了背面光耦合在对光中存在无法直接观测光敏面的缺点，测试装置采用低热膨胀系数材质，且套管以紧配合方式连接，从而大大减小光耦合测试中升降温存在的随机光斑偏移，减小系统性的对光误差，实现高稳定性的自对准光耦合，进一步的利用微纳加工技术的亚微米级高加工精度，加工出几何尺寸进度为μm级的自对准器件，并利用μm级的标记刻度尺，结合光学显微镜可以直接量化对光误差，使得对光误差控制在μm量级。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示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的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。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改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种背面光耦合超导纳米线单光子探测器件，其特征在于，所述背面光耦合超导纳米线单光子探测器件包括：

器件光敏区域；

定位环，所述定位环包括至少一个定位环开口，所述定位环贯穿所述超导纳米线单光子探测器件，且所述定位环位于所述器件光敏区域外围。

2.根据权利要求1所述的背面光耦合超导纳米线单光子探测器件，其特征在于：所述器件光敏区域的中心还包括标记刻度尺，通过所述标记刻度尺将对光精度量化。

3.根据权利要求1所述的背面光耦合超导纳米线单光子探测器件，其特征在于：所述定位环的中心与所述器件光敏区域的中心位于同一垂线上。

4.一种用于测试权利要求1～3中任一所述背面光耦合超导纳米线单光子探测器件的测试装置，其特征在于，所述测试装置包括：

封装件，所述封装件包括第一部件及第二部件，所述第一部件包括槽体，所述槽体与所述定位环对应设置，所述第二部件包括贯通孔，所述贯通孔显露所述器件光敏区域及定位环，所述第一部件与所述第二部件之间包括容纳所述背面光耦合超导纳米线单光子探测器件的容纳空间，且所述容纳空间与所述槽体及贯通孔相连通；

套管，所述套管包括第一端及对应的第二端，所述套管的第一端与所述槽体对应设置，且所述套管的第一端经所述贯通孔及容纳空间与所述槽体相连接，所述套管的第二端与光纤插头相连接。

5.根据权利要求4所述的测试装置，其特征在于：所述容纳空间位于所述第一部件内，所述第二部件包括PCB电路板，且所述PCB电路板与所述背面光耦合超导纳米线单光子探测器件电连接。

6.根据权利要求4所述的测试装置，其特征在于：所述光纤插头的中心、所述套管的中心、所述容纳空间的中心与所述槽体的中心位于同一垂线上。

7.根据权利要求4所述的测试装置，其特征在于：所述套管及封装件的材质包括陶瓷或金属。

8.根据权利要求4所述的测试装置，其特征在于：所述第一部件与所述第二部件的连接方式包括卡固、销固及螺纹连接中的一种或组合；所述套管与所述光纤插头的连接方式包括紧配合，所述套管与所述槽体的连接方式包括紧配合。

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