WO2006114540A2 - Detecteur optique ultrasensible a grande resolution temporelle - Google Patents

Detecteur optique ultrasensible a grande resolution temporelle Download PDF

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WO2006114540A2
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Laurent Frey
Jean-Claude Villegier
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Commissariat A L'energie Atomique
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    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/30—Optical coupling means for use between fibre and thin-film device

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasensitive optical detector, with high temporal resolution, and in particular a superconducting single photon detector.
  • the invention applies in particular to the detection and localization of malfunctions of a semiconductor integrated circuit, by detecting the emission of specific photons by failed transistors.
  • the invention is also applicable to the detection of the key of the quantum code in a cryptographic system.
  • Emerging techniques such as quantum computation and cryptography, the detection of very weak signals for telecommunications or astronomy, the non-contact diagnosis of integrated circuits in microelectronics or the detection of biological objects, require radiation detectors. especially in the visible domain or the near infra-red domain, which are very fast, have a very weak jitter, make very little noise and are extremely sensitive: they must be able to detect a single photon .
  • Single photon superconducting detectors also known as SSPDs, potentially have all the above mentioned qualities and are good candidates for replacing current avalanche photodiodes and photomultiplier tubes, whose performance is limited, particularly in the infrared.
  • SSPDs superconducting tunnel junctions
  • HEBs hot electron bolometers
  • STJs superconducting tunnel junctions
  • HEBs hot electron bolometers
  • NbN niobium nitride
  • NbN is epitaxially grown on a sapphire substrate whose orientation is 1102 (plane R); and after structuring, this film forms meanders whose width ranges from 100 nm to 200 nm.
  • plane R orientation
  • the manufacture, operation and characterization of such SSPDs are described for example in [Gol'tsman 03] and [Korneev 03]. Detection efficiency, or the conversion efficiency of the photon into an electrical signal, is a key parameter that must be optimized and that would be worth 100% for an ideal detector.
  • the meander structure has been designed to have a correct fill rate.
  • the interval between two strips of this structure is as small as the width of the superconducting tape and the fill rate is about 50%. It can hardly exceed this value of makes current technological limitations associated with the electronic lithography that is used to form the meander structure.
  • the detection efficiency can not exceed about 15% with this architecture. It reaches 5% to 7% with the wavelengths used for telecommunications in the latest generation of detectors (see [Korneev 04]).
  • the light which has passed through the NbN without having been absorbed is then returned to the NbN by a concave mirror (see [FR 2812455]) or by a plane mirror (see [LeCoupanec 03]).
  • the NbN film is optionally coated with an anti-reflection layer to eliminate the reflection losses of the incident wave.
  • the expected detection efficiency is 40% but it is in any case limited by the fill rate (50%) that is inherent to any film design that is attacked at normal incidence.
  • the meandering structure, optical coupling device currently used in HEB in NbN is not optimized because of the low filling rate, the weak absorption by the NbN layer, and the long length meanders which increases the noise and degrades the electrical characteristics due to meander width non-uniformities.
  • the detection efficiency is limited to 20% in the visible range.
  • the wavelengths used for telecommunications it is even lower (less than 10%) and the noise is greater because the energy of the photon is lower.
  • the design of the detector (for example SSPD, more precisely HEB), which is proposed in the present invention, abandons the meandering structure with its limitations. Its originality lies in the optical addressing of the photon towards a detector, in particular a superconducting detector, with optimized geometry, via surface plasmons which are guided in a metal guide. The zones of optical coupling and detection by the HEB are now separated.
  • the present invention has various advantages.
  • the optical coupling is significantly more efficient than in the meander structure. Indeed, the filling rate is close to 100%.
  • the energy is fully absorbed in the active element of the detector.
  • the length of the detection band which constitutes the thermometer of the HEB or the STJ junction, can be at least ten times smaller than that of the meander structure. Problems related to the non-uniformity of superconducting bandwidth and classical or quantum electronic fluctuations largely disappear.
  • the detection efficiency can therefore reach very high values, the noise is lower and the jitter (in English, jitter) is reduced. Indeed, there is less phase noise and better temperature uniformity in a shorter superconducting band.
  • the invention can be implemented by existing technological means.
  • the subject of the present invention is an optical detector, intended to detect at least one photon (from one to ten photons), this detector comprising a dielectric substrate and, on this substrate, at least one bolometric detection element. which is intended to generate an electrical signal from the energy of the photon or photons received, this detector being characterized in that further comprises at least one coupling element which is formed on the substrate, is distinct from the bolometric detection element and comprises a metallic element, designed to generate a surface plasmon by interaction with the photon (s) and to guide this plasmon surface to the bolometric detection element which then absorbs the energy of this surface plasmon.
  • the bolometric detection element is a bolometric element that is at thermal equilibrium or out of thermal equilibrium (as for hot electron bolometers).
  • the bolometric detection element forms a thin and short strip.
  • the bolometric detection element comprises a monolayer of a material which is chosen from bolometric materials and superconducting materials.
  • the bolometric detection element comprises a superconducting multilayer forming a tunnel junction and / or a Josephson junction.
  • the tunnel junction may be a magnetic tunnel junction.
  • the bolometric detection element and the metal element are substantially rectilinear and the metal element extends. longitudinally by the bolometric detection element.
  • the metallic element has a first width and the bolometric detection element has a second width which is smaller than the first width, and the metal element is connected to the bolometric detection element by a end.
  • the bolometric detection element and the metal element are substantially rectilinear and the bolometric detection element is perpendicular to the metal element.
  • the generation of the surface plasmon is obtained by coupling in an Otto or Kretschmann type configuration or by coupling by means of a diffraction grating, which is formed on the metallic element, or by means of a dielectric waveguide which is formed on or formed between the metallic element and the substrate and has a refractive index greater than that of the substrate.
  • the detector object of the invention may further comprise an optical fiber for transporting the photon or photons for coupling.
  • the end of the optical fiber can be cleaved at a cleavage angle that allows generation of the coupling surface plasmon in the Otto configuration.
  • the end of the optical fiber is cleaved at a cleavage angle which allows the generation of surface plasmon by coupling into the Kretschmann type configuration and the refractive index of the substrate is less than that of the core of the optical fiber.
  • the end of the optical fiber is cleaved at a cleavage angle which allows generation of the surface plasmon by coupling in the Kretschmann type configuration and the refractive index of the substrate is greater than that of the core of the optical fiber, and a dielectric layer, whose refractive index is greater than that of the substrate, is provided on the metal element, between the latter and the optical fiber.
  • the metal element of the coupling element constitutes a guide for coupling a focused incident light beam, formed by the photon or photons, towards a long-distance surface plasmon. (English, “long range surface plasmon”), this coupling being done by the edge of the guide, at a first end thereof.
  • the guide can then be a tapered guide (in English, "type") whose second end is narrower than the first end.
  • the bolometric detection element may be substantially rectilinear, placed facing the second end of the guide and perpendicular to this second end; or at least a part of the bolometric detection element may be substantially rectilinear, this part being placed under the second end of the guide, parallel to this second end.
  • the guide can also be a straight guide to long-distance surface plasmon, placed between two plasmon mirrors, namely two reflecting mirrors
  • the guide (For example in gold or silver), arranged at the entrance and exit of the guide and for example deposited on the facets of the chip (in English, chip) of the detector.
  • the guide provided with the two mirrors thus constitutes a plasmon resonator.
  • the bolometric detection element is then substantially rectilinear and placed at least partially under the guide, for example parallel or perpendicular to this guide.
  • the detector comprises a set of coupling elements and a set of bolometric detection elements, the set of coupling elements forming a matrix of elements on the substrate and being intended coupling a collimated incident light beam, formed by the photon or photons, which coupling takes place by attenuated total reflection, in the Otto or Kretschmann configuration, and wherein each of the detection elements constitutes a bridge which connects two adjacent coupling elements .
  • each coupling element constitutes a resonator in a direction parallel to the plane of incidence of the light beam on the substrate.
  • each coupling element also constitutes a resonator in a direction perpendicular to the plane of incidence of the light beam on the substrate.
  • each bolometric detection element comprises a superconducting nitride phase. This phase may be niobium nitride.
  • FIG. 1A is a schematic longitudinal sectional view of an example of the detector which is the subject of the invention.
  • FIG. 1B is a schematic top view of the detector object of FIG.
  • FIG. 1C is a schematic view of control and processing means associated with the detector of FIGS. 1A and 1B,
  • FIG ID is a schematic top view of another example of the detector object of the invention.
  • FIG. 1E is a schematic top view of a variant of FIG.
  • FIG. 2 is a schematic longitudinal sectional view of another example of the detector which is the subject of the invention.
  • FIG. 3 is a schematic longitudinal sectional view of another example of the detector which is the subject of the invention
  • FIG. 4A is a schematic longitudinal sectional view of another example of the detector which is the subject of the invention
  • FIG. 4B is a schematic top view of the detector of FIG. 4A
  • FIG. 5A is a schematic longitudinal sectional view of another example of the detector which is the subject of the invention.
  • FIG. 5B is a schematic top view of the detector of FIG. 5A
  • FIG. 6A is a schematic perspective view of a preferred embodiment of the detector which is the subject of the invention.
  • FIG. 6B is a schematic and partial top view of the detector of FIG. 6A.
  • FIG. 7 is a schematic and partial plan view of a variant of this detector of FIG. 6A.
  • FIG. 8A is a schematic perspective view of another embodiment of FIG.
  • FIG. 8B is a schematic and partial sectional view of the detector of FIG. 8A.
  • FIG. 9A is a schematic longitudinal sectional view of another example of the detector which is the subject of the invention.
  • FIG. 9B is a schematic top view of the detector of FIG. 6A.
  • FIG. 10A is a schematic top view of another detector according to FIG.
  • FIG. 10B is a schematic and partial sectional view of the detector of FIG. 10A
  • FIG. 10C is a schematic view of two adjacent coupling elements of this detector of FIG. 10A, which are connected by a superconducting material bridge, and
  • FIG. HA to HE schematically illustrate steps of a method of manufacturing an element made of superconductive material, used to manufacture a detector according to the invention.
  • a focused incident beam whose width is typically a few micrometers and which is derived from a monomode optical fiber or a focusing optics such as a microscope objective.
  • a first example of a detector according to the invention is seen in longitudinal section in FIG. 1A and from above in FIG. 1B.
  • This detector 2 comprises a dielectric substrate 4 and a bolometric detection element 6 formed on this substrate and made of a superconducting material, preferably NbN.
  • This element forms a thin strip, short and substantially straight.
  • the thickness E of this band is less than 10 nm, its width 1 is less than 1 ⁇ m and its length L is less than 100 ⁇ m but advantageously greater than the propagation length ⁇ sp of plasmon at the surface of the superconducting material , the NbN in the example, relative to the air.
  • Example E is 4 nm, 1 is 0.2 ⁇ m and L is 10 ⁇ m.
  • the detector 2 also comprises a coupling element 8 which is formed on the substrate. This element 8 is distinct from the bolometric detection element 6 but in contact with it.
  • the coupling element 8 comprises a substantially straight metal element 10 which is extended longitudinally by the bolometric detection element 6.
  • the coupling element 8 is designed to receive one or a few photons that it is desired to detect, for example a single photon, and to communicate the energy of this photon to the bolometric detection element 6.
  • the photon is fed to the metal element 10 by an optical fiber 11, more precisely by the heart (in English, core) (not shown) of this fiber.
  • the bolometric sensing element is provided to generate an electrical signal from the photon energy and to permit fast and undistorted electrical propagation of the detected signal.
  • the optical fiber 11 is disposed obliquely in the example of Figures IA and IB.
  • the energy of the photon is communicated to the bolometric detection element in the form of a surface plasmon 12: the metal element 10 generates this plasmon by interaction with the photon and guides this plasmon to the detection element 6.
  • Electrodes are formed respectively at both ends of the formed structure of the bolometric detection element 6 and the coupling element 8.
  • Each electrode consists of one or more layers of a suitable metal, for example example gold. These electrodes allow the connection of the detection element 6 to control and processing means 15 which can be seen in FIG. 1C, on which these electrodes respectively have the references 14 and 16.
  • a cryostat 18 is shown to hold the detector 2 at a temperature much lower than the critical temperature of NbN.
  • the control and processing means 15 are also seen. These means 15 comprise a bias tee 20, which is connected to the electrodes 14 and 16 and which makes it possible to separate the fast detection signals, the frequency of which is of the order of 1 GHz, DC power supply of the detector, by means of propagation lines whose structure is coplanar and whose impedance is adapted (see figure
  • These means 15 also include a source of bias current which is connected to the tee and provided for biasing the detector 2 by a direct current whose intensity is less than the critical intensity of the detector.
  • Specific means (not shown) for signal amplification or multiplexing may be provided in the cryostat.
  • Figure ID is a schematic top view of a particular embodiment of the detector object of the invention.
  • This detector further comprises the substrate 4 and, on the latter, two electrically conductive structures 26 and 27.
  • the structure 27 forms a substantially rectilinear strip. It is extended by the coupling element 8 which still includes the element
  • This zone 28 is followed by the linear bolometric detection element 6, the ends of which have the reference 25.
  • the structure 26 extends on either side of the assembly comprising the band 27, the element 8 and the element 6. In addition, as can be seen, this structure 26 is connected to the end of the element 6, opposite to that which is in contact with the zone 28.
  • the structure 26 and the band 4 thus delimit two zones 29 of the substrate which are substantially rectilinear and constitute coplanar lines of propagation of the detected electrical signal.
  • the structure 26 is grounded (in English "grounded").
  • the band 4 allows the polarization of the current detector and the output of the detected signal to the polarization tee 20 ( Figure IC).
  • Element 6 constitutes a bridge in NbN.
  • this NbN bridge has a length of 5 ⁇ m, a width of
  • Figure IE is a variant of Figure ID, which will be discussed later.
  • the incident light excites a plasmon mode of the interface between the dielectric 32 and the element 10, the latter constituting a metal plasmon guide, and the excited plasmon 12 propagates to the interface between the metal and the dielectric which overcomes this metal, namely the air in the example.
  • the surface plasmon is then guided towards a focusing zone 28 where it undergoes a lateral confinement.
  • the metal element 10 has a length of the order of 10 microns and a width of the order of 5 microns.
  • FIG. 1A A first possible configuration (FIG. 1A) is an Otto type coupling, the first variant of ATR (Attenuated Total Reflection) technique.
  • the end 30 of the fiber 11 is cleaved at an angle which allows the guided mode in the fiber to undergo a total reflection on the end 30 and to generate, in a layer 32 of low refractive index, an evanescent wave which comes exciting the plasmon mode at the upper interface of the element 10 metal.
  • This layer 32 may be an air layer or a low index dielectric layer between the cleaved end 30 and the element 10.
  • This low index layer must have a refractive index lower than the effective index of the guided mode of the fiber, to ensure total reflection; its thickness is typically 1 ⁇ m.
  • the cleavage angle of the fiber must be greater than the critical angle i c of total reflection between the fiber and the dielectric 32. The value of this cleavage angle is determined by the plasmon wave vector, which depends on the dielectric constant of the metal of element 10 (for example silver), and the refractive index of the low index layer.
  • the propagation length of the plasmon which depends on the dielectric constant of the metal of the element 10 and the index of the dielectric layer
  • the thickness of the element, or film, metal 10 is typically a few tens of nanometers. It is specified that the thicknesses and indices are adjusted to optimize the coupling, in particular so that the angular width of the resonance covers the angular dispersion of the mode of the fiber.
  • the range of wavelengths that can be envisaged for the detector 2 corresponds to the domain of existence of surface plasmons in the metals considered.
  • the wavelength should be approximately equal to or greater than 350 nm, and for NbN it should be approximately equal to or greater than 600 nm. It should be noted that the propagation length of plasmons is an increasing function of the wavelength.
  • the zone delimited by an ellipse 34 in FIG. 1B diagrammatically represents the intersection of the incident light beam and the plane of the element 10.
  • the length of the zone 28 must be less than the propagation length of the plasma.
  • a Kretschmann type coupling another variant of the ATR technique
  • the cleaved end 30 of the fiber 11 is directly in contact with the metal of the element 10. There is therefore a total reflection of the light that propagates in the fiber.
  • the evanescent wave excites the plasmon at the lower metal / substrate interface, which is possible provided that the substrate index is lower than that of the core of the fiber.
  • a coupling is used by means of a diffraction grating (in English, diffraction grating).
  • a plasmon is excited from the fiber, which is cleaved perpendicularly to its axis in this case, with a normal or oblique incidence on the metal film 10.
  • the incidence is oblique in the example of FIG. diffraction 36 is provided on the surface of the element, or film, metal 10 and the end of the fiber is placed facing this network, at an angle less than or equal to 90 ° with the latter (see [Ditlbacher 03 ] about a network coupling).
  • the characteristics of the network namely its pitch and its amplitude are chosen so as to optimize the coupling.
  • waveguide coupling is used (see FIGS. 4A-4B and 5A-5B).
  • the evanescent wave propagating at the lower interface of the waveguide 38 couples to the plasmon mode at the lower metal interface, provided that the effective index of the guided mode is greater than the index of the substrate.
  • FIG. 4A This is schematically illustrated in FIG. 4A, in which the detector of the example considered is seen in longitudinal section, and in FIG. 4B, on which it is seen from above.
  • the waveguide 38 also extends above the bolometric detection element 6 and that its width is substantially equal to that of the metal element 10.
  • the metal element 10 can be deposited. and the NbN over the dielectric waveguide 38, which index must then be greater than that of the substrate 4.
  • This is schematically shown in longitudinal section in Figure 5A and in plan view in Figure 5B.
  • an edge waveguide in English, ridge waveguide
  • LiNbO 3 films on Al 2 O 3 and on MgO is possible.
  • FIG. 6A Another example of wafer coupling is schematically illustrated in FIG. 6A, which corresponds to a preferred embodiment in the case of a focused incident light beam.
  • the angular divergence of this beam is important, which makes the coupling techniques previously mentioned (with oblique incidence) limited.
  • the diffraction-limited beam (the most favorable case) is typically a few micrometers wide and this beam is derived from a single-mode optical fiber or focusing optics, for example a microscope objective.
  • the angular divergence is important (11 ° for the total angle at 1.55 ⁇ m), which makes the traditional techniques of coupling by ATR, in Otto or Kretschmann configuration, or network coupling, poorly adapted to the coupling of light to a surface plasmon, whose angular resonance is fine and typically ranges from 0.1 ° to 1 °.
  • one solution is to couple the light L ( Figure 6A) of the optical fiber (not shown) by the wafer (end-fire coupling type) of a metal guide G to the large mode.
  • LRSP mode for "long range plasmon area"
  • the polarization of the light beam to be detected must be of TM type, that is to say perpendicular to the guide G.
  • This mode has the particularity of having a large spatial extension and a field profile which is compatible with those of a monomode optical fiber, for a guide section e x 1 typically equal to
  • This metal guide G plays the role of a "rail" which guides the light without confining it strongly.
  • the coupling losses mentioned in [Nikolajsen 04] are limited to 10%, and they could be reduced by filling the space between the fiber and the guide by a medium having an optical index close to that of the substrate, to limit retro-reflection.
  • the metal guide G is made of a noble metal, such as silver or gold, metals which have a low extinction coefficient, thus low losses by dissipation, which allows large propagation distances. It should be noted that the distance between the fiber and the guide must be less than the Rayleigh distance, equal to 50 ⁇ m for a single-mode fiber at 1.55 ⁇ m.
  • the LRSP mode is then confined in a sub-micron section s of the tapered guide (in English, "taper") that constitutes the metal guide G, using a low angle taper, which performs an adiabatic transition (thus loss-free or almost) from the LRSP to a localized surface plasmon ([Stockman 04]).
  • the tapered guide G is relatively long (several hundred micrometers).
  • the energy density is very important because of the very strong confinement of the field at least in the plane of the metal layer constituting the guide, and can be up to 1000 times greater than the density existing at the guide entry ([Stockman 04]).
  • This intensification of the field is of interest for efficiently transferring the energy to the absorbing material (for example NbN) of the bolometric detection element 39a in the form of a straight strip, whose el x 11 section is also very small and is typically 4 nm) x (100 to 200 nm).
  • the contacts 39b which are provided at the ends of the strip 39a.
  • the bias remains TM type throughout the guide.
  • the length of this band 39a, forming a nanowire, is sufficiently large to absorb the plasmon (in NbN, one can choose a length of ten micrometers at a wavelength of 1.55 microns), or is fixed at a multiple of half the wavelength of the plasmon ([Schider 03]), so as to constitute a resonant and at the same time absorbing antenna.
  • Such a structure can be produced by successively depositing on the substrate, the guide, a very thin layer of a dielectric material and then the NbN band.
  • Other techniques can be envisaged, for example based on hybridization.
  • the band NbN 39a may also be positioned under the outlet end 40 of the guide G, parallel to this guide ( Figure 7).
  • the absorbent material (NbN in the example) absorbs the evanescent wave which circulates near the guide. The fact of using a tapered guide makes it possible to increase the field and thus to reduce the necessary length of NbN.
  • the band 39a is in two parts 39c and 39d, which are perpendicular to each other, and only the portion 39d is parallel to the guide G.
  • a straight LRSP guide placed between two mirrors as a resonator ( Figures 8A and 8B).
  • the two mirrors are two reflecting mirrors, for example gold or in silver, arranged at the entrance or exit guide and for example deposited on the facets of the detector chip.
  • the length of this straight guide 41 is a multiple of half the wavelength of the LRSP, itself very close to the wavelength in the vacuum of the detected light.
  • the straight strip 39a of NbN is placed at least partially under the guide 41, for example perpendicularly to this guide. The LRSP undergoes multiple round trips into the cavity and is partially absorbed into the NbN at each pass.
  • the thickness of the coupling element 8 typically 10 nm, possibly a few nanometers as the superconducting strip 6;
  • - width of the coupling element a few micrometers, width well adapted to the dimensions of an optical fiber; - length of the coupling element: much smaller than the plasmon propagation distance;
  • - Output section of the focusing point 28 substantially identical to that of the superconducting band 6 (a few tenths of micrometers by a few nanometers); length of the focussing tip 28: also less than the propagation distance of the plasmon; the shape of this focusing point (triangular or other shape) is optimized to minimize losses.
  • This superconducting band is a plasmon guide with absorption losses.
  • this configuration corresponds to the examples of FIGS. 1A-1B, 2, 3, 4A -4B and 5A-5B; the light propagates in the NbN band in a guided plasmon mode, at the NbN / air or NbN / substrate interface, depending on the coupling used; the length of this nano-guide must be greater than the characteristic propagation length of the plasmon at the interface between NbN and air or a low-index dielectric, which length is of the order of 5 ⁇ m to 10 ⁇ m;
  • the band of NbN then behaves like a nano-wire which guides the light and which is attacked by a polarization parallel to its axis [Weeber 99], according to a process localized plasmon type; the length of the nano-guide is then greater than the propagation length; an example of detector corresponding to such a configuration is diagrammatically illustrated by FIG. 9A (sectional view longitudinal) and in Figure 9B (seen from above); the NbN 6 band is shown, the metal element 42 provided with a focusing zone 44, by which the element 42 is connected to the band 6, and the substrate 4 on which the detector is formed.
  • the detection of the energy carried by the plasmon in the superconductor can be done:
  • the bolometer is then polarized by a subcritical current (see [Korneev 04]); this case corresponds to the example of figure IC;
  • the superconductor may for example be NbN and the MgO insulator or a tantalum nitride whose thickness is typically 1 nm; in the example of Figure IE, the bridge 6 is thus replaced by a Josephson tunnel junction 6a which is for example of NbN-MgO-NbN type; the layer I of MgO is then between the two layers II and III of NbN; one of these two NbN layers is electrically connected to the zone 28 and the other layer III of NbN is connected to the structure 26;
  • Superconducting Quantum Interference Device Other materials than superconductors can be envisaged for the detection: one can use a bolometric material, for example a manganite or a cuprate, or a semiconductor material whose gap (band gap) is adapted to the length of photon wave to be detected.
  • a bolometric material for example a manganite or a cuprate
  • a semiconductor material whose gap (band gap) is adapted to the length of photon wave to be detected.
  • the bolometric detection element may consist of a single layer of the material in question (for example in the case of bolometers) or consist of a multilayer (in the case of a superconducting tunnel junction and / or a Josephson junction or a magnetic tunnel junction).
  • the angular divergence is reduced to less than 1 ° and makes it possible to envisage efficient coupling of the light to a surface plasmon, by a traditional technique of attenuated total reflection coupling. (ATR), in Otto or Kretschmann configuration, for flat metal layers.
  • ATR attenuated total reflection coupling
  • the beam is then in oblique incidence above the structure.
  • a beam whose width is typically 100 microns, it is not possible to efficiently couple to a LRSP mode whose angular resonance is extremely fine.
  • two contiguous elements 45 are connected by a filamentary bridge 48 in NbN which rests on two NbN / metal junctions, each having an area of the order of 1 ⁇ m 2 , and which absorbs the energy of the plasmon. .
  • FIG. 10C is an enlarged view of one of the bridges 48 in NbN, which connects two elements or cells 46.
  • the two corresponding NbN / metal junctions have the reference 50 for this figure.
  • the energy is transferred to the NbN in the form of localized plasmon which attenuates very rapidly, after a few micrometers, or is simply absorbed by the NbN which constitutes a material absorbent.
  • the width of the cell is also a multiple of ⁇ / 2 so that the cell also resonates in the direction perpendicular to the previous one (more precisely perpendicular to the plane of incidence of the beam), in order to collect the energy efficiently to take account of the angular width of the beam also in this direction, even if this width is reduced.
  • all the cells 46 of the same column of the matrix can be connected in series and be traversed by the same bias current.
  • Such a configuration is used in the example of FIG. 10A, where two contacts 51 are also seen which are respectively formed at the two ends of the circuit thus obtained.
  • the cumulative length of NbN is very short (a few micrometers) because the space between two cells is very small, less than 1 ⁇ m.
  • the following is an indication of a method of manufacturing a single photon monolithic detector including the layers and structures that allow the photogeneration of a surface plasmon, the propagation of the latter and the detection of this plasmon by a HEB element in NbN.
  • a monocrystalline corundum or sapphire substrate is preferably used, the crystalline orientation of which is preferably plane-R
  • the face on which the deposition of the bolometer layers will be performed has an epitaxial quality polish, adapted to the epitaxy of silicon. It is also possible to use an SOS substrate whose diameter is typically around 75 mm. This diameter can be up to 300 mm. Different surfaces and shapes of the substrate are also possible.
  • the surface of the substrate is cleaned, typically by immersion of the latter in an acetone bath, then in an alcohol bath, and then by exposure to ultrasound.
  • a high temperature surface treatment of the substrate is carried out, this temperature typically being greater than 1000 ° C. in order to reconstruct the crystalline quality of its surface.
  • monocrystalline substrates may be used, for example monocrystalline oxide films whose crystalline mesh does not exhibit a too much parameter disagreement with that of the NbN layer whose mesh parameter a is about 0.44 nm. It is possible, for example, to use monocrystalline oxides of cubic phase oxides of the NaCl or B1 type, such as MgO (at about 0.42 nm), or LaAlO 3 or ZrO 2 -Y 2 O 3 substrates.
  • monocrystalline fluoride substrates such as CaF 2 for example. It is also possible to use blades made of semiconductors such as silicon or germanium, or SOI structures. However, the use of semiconductor substrates such as silicon requires a combination of specific surface treatments ex situ and in situ prior to performing the next step.
  • the superconducting layer of NbN having a few nanometers in thickness and reproducible superconducting properties (critical temperature of the order of 1OK, or greater than 10 K, for a thickness of about 3.5 nm), and constituting the element detector, possibly obtained by continuous magnetron sputtering of a high purity niobium target (> 99.99%), in a mixture of argon and nitrogen, when the substrate (of the type sapphire-plane-R or other according to the criteria defined in paragraph 1) is uniformly heated to a temperature of about 600 0 C during deposition.
  • the substrate of the type sapphire-plane-R or other according to the criteria defined in paragraph 1
  • a step of degassing the spray chamber provides the vacuum quality required for deposition.
  • the target material is preferably niobium but that other variants described in the literature allow to stabilize other thin superconducting layers for example niobium, TiN, MoN or YBaCuO.
  • a surface passivating layer (in this case a very thin layer of amorphous aluminum nitride) is deposited on the nitride layer so that the electrical, physico-chemical, mechanical and optical properties of the very thin layer of nitride niobium are not subsequently altered by the formation of a thin layer of oxide (hydroxide or / and carboxide) native or / and thermal.
  • oxide hydrooxide or / and carboxide
  • Lithography of the nano-bridge HEB-NbN (size about 10 ⁇ mxl00nmx4nm) by electronic insolation
  • a positive or negative resin which is sensitive to electrons, is used.
  • the thickness of this resin can range from 50nm to 500nm but depends on the nature of the resin. It is possible to use a resin which disappears after revelation in the areas exposed by the electrons.
  • the shape to be cut in the resin and this shape is then cut in the very thin layer of NbN by means of a RIE etching, that is to say a reactive ion etching (in English reactive ion etching), using a gas type SF6.
  • the remaining resin layer is then removed by the same technique, using an oxygen plasma (delamination).
  • an electronic lithography in reverse polarity may be used.
  • the NbN bridge and the contact pads are then described by an electronic insolation which hardens the resin.
  • the NbN bridge corresponds to the reference 6 in this figure.
  • the contact pads correspond to reference 2 in this figure and serve to connect the ground structure 26, the signal propagation structure 27 and the optical coupling structure 8.
  • optical lithography is used with deep ultraviolet radiation, that is to say a radiation whose wavelength is less than 0.3 microns.
  • deep ultraviolet radiation that is to say a radiation whose wavelength is less than 0.3 microns.
  • an NbN nanobridge is formed by anodizing the NbN under the tip of an atomic force microscope.
  • a layer 60 of NbN is formed on a substrate 62 in sapphire plane-R.
  • a layer 60 of NbN is formed on a substrate 62 in sapphire plane-R.
  • a positive electronic resin layer 64 is then deposited on the NbN layer 62 (FIG. HB). This layer 64 is then etched by an electron beam to define the desired shape for the NbN element used in the detector.
  • Gold contacts 70 and 72 are then deposited at the two ends of this element by a peeling technique (in English, lift off), by immersion in a solvent, for example acetone.
  • This step consists of bringing one or more layers of structured gold onto the NbN layer, in a suitable way. These layers will be used for the absorption of the photon converted to plasmon, its propagation and the electronic implementation of the detector. Successive deposits of layers of suitable thickness make it possible to improve the coupling and propagation of plasmon.
  • the critical elements of the HEB detector are checked in NbN.
  • the main parameters of the layers and structures resulting from the process used are estimated by means of physicochemical characterization and measurement tools, of the kind used in microelectronics, in particular to make measurements of nanometric thicknesses. using grazing X-rays, or X-ray diffraction.
  • a detector according to the invention is not limited to the detection of a single photon: such a detector can detect up to ten photons.
  • higher NbN thicknesses than those given in the examples can be used.
  • other superconductors than NbN are usable, for example other superconducting nitride phases or high temperature superconducting cuprate phases. Examples which may be mentioned are MoN, TaN, TiN, VN, MgB 2 , Yba 2 Cu 3 O 7 -x, ReBa 2 Cu 3 O 7 -X, TiNNb, MoGe, MoRe, NbSi and HgBaCaCuO. More generally, as already mentioned, it is possible to use other materials than superconductors.
  • any material capable of detecting a low light energy and of restoring an electrical signal corresponding to this energy for example a bolometric material or a semiconductor material.
  • This material may be in the form of a monolayer or be used in a stack constituting a tunnel junction and / or Josephson, this stack being for example of the NbN / MgO / NbN or NbN / MgO / NbN or manganite / barrier layer / manganite, or ferromagnetic metal / barrier layer / ferromagnetic metal.
  • FR 2812455 FR 2812455 A. Invention of R. Sobolewski et al. (Schlumberger and Rochester University, 2/2002)
  • LeCoupanec 03 LeCoupanec P., W. K. Lo, K.

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Abstract

Détecteur optique ultrasensible à grande résolution temporelle, utilisant un plasmon de surface. Ce détecteur optique, destiné à détecter au moins un photon comprend un substrat diélectrique (SB) et, sur ce substrat, au moins un élément de détection bolométrique (39a) , prévu pour engendrer un signal électrique à partir de l'énergie du ou des photons reçus, et en outre au moins un élément de couplage, formé sur le substrat, distinct de l'élément de détection et comprenant un élément métallique (G) , prévu pour engendrer un plasmon de surface par interaction avec le ou les photons et guider ce plasmon jusqu'à l'élément de détection qui absorbe alors l'énergie de ce plasmon de surface.

Description

DETECTEtJR OPTIQtJE ULTRASENSIBLE A GRANDE RESOLUTION TEMPORELLE, UTILISANT UN PLASMON DE SURFACE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un détecteur optique ultrasensible, à grande résolution temporelle, et notamment un détecteur supraconducteur de photon unique (en anglais, superconducting single photon detector) .
L'invention s'applique notamment à la détection et à la localisation des défauts de fonctionnement d'un circuit intégré semi-conducteur, par détection de l'émission de photons spécifiques par des transistors défaillants.
Elle s'applique aussi aux circuits de réception et de routage pour les télécommunications à très haut débit, en particulier à ceux qui sont destinés aux satellites de télécommunication, à cause de la très faible dissipation thermique du détecteur objet de l'invention. L'invention s'applique en outre à la détection de la clé du code quantique dans un système de cryptographie.
Elle s'applique également à la détection d'objets biologiques ou médicaux par tomographie ainsi qu'à l'observation astronomique d'objets éloignés. ETAT DE LA TECHNIQtJE ANTERIEtJRE
Des techniques émergentes telles que le calcul et la cryptographie quantiques, la détection de très faibles signaux pour les télécommunications ou l'astronomie, le diagnostic sans contact de circuits intégrés en micro-électronique ou la détection d'objets biologiques, nécessitent des détecteurs de radiations en particulier dans le domaine visible ou le domaine proche infra-rouge, qui soient très rapides, aient une gigue (en anglais, jitter) très faible, fassent très peu de bruit et soient extrêmement sensibles : ils doivent être capables de détecter un photon unique.
A ce sujet, on se reportera au document [Verevkin 03] qui, comme les autres documents cités par la suite, est mentionné à la fin de la présente description.
Les détecteurs supraconducteurs de photon unique, également appelés SSPD, ont potentiellement toutes les qualités mentionnées ci-dessus et sont de bons candidats pour remplacer les photodiodes à avalanche et les tubes photomultiplicateurs actuels, dont les performances sont limitées, particulièrement dans l'infrarouge.
On peut classer les différents types de SSPD en deux catégories, à savoir les STJ ou jonctions tunnel supraconductrices (en anglais, superconducting tunnel junctions) et les bolomètres dont les HEB, bolomètres à électrons chauds (en anglais, hot électron bolometers) , constituent la classe la plus rapide. Les HEB utilisent des films supraconducteurs ultra-minces dont l'épaisseur vaut moins de lOnm, pour obtenir des temps caractéristiques très courts, de l'ordre de 10 ps . Pour ces films, le matériau de prédilection est le nitrure de niobium (NbN) en phase cubique Bl. Dans un HEB connu, un film très mince de
NbN est épitaxié sur un substrat de saphir, dont l'orientation est 1102 (plan R) ; et après structuration, ce film forme des méandres dont la largeur va de 100 nm à 200 nm. La fabrication, le fonctionnement et la caractérisation de tels SSPD sont décrits par exemple dans [Gol'tsman 03] et dans [Korneev 03]. L'efficacité de détection, ou efficacité de conversion du photon en un signal électrique, est un paramètre-clé qu'il faut optimiser et qui vaudrait 100% pour un détecteur idéal.
Il dépend du taux de remplissage (taux de recouvrement du faisceau incident et de la zone active du détecteur), de l'absorption optique dans la couche de NbN et de la capacité du point chaud (en anglais, hot spot), qui est formé par suite de l'absorption du photon, à créer une barrière résistive sur toute la largeur de la bande (en anglais, strip) supraconductrice . On distingue l'efficacité de détection de l'efficacité quantique, qui est définie pour un taux de recouvrement de 100%.
La structure en méandres a été imaginée pour avoir un taux de remplissage correct. Dans les dernières réalisations, l'intervalle entre deux bandes de cette structure est aussi petit que la largeur de la bande supraconductrice et le taux de remplissage vaut environ 50%. Il ne peut guère dépasser cette valeur du fait des limitations technologiques actuelles, associées à la lithographie électronique qui est utilisée pour former la structure en méandres.
On peut envisager de meilleurs taux de recouvrement avec d'autres techniques, mais une structure dont les méandres sont trop rapprochés favorise la diaphonie (en anglais, cross-talk) et conduit à une longueur accrue de matériau supraconducteur . L'absorption par le NbN est de l'ordre de
20% pour une épaisseur de 4 nm. La seule façon de l'augmenter serait d'augmenter l'épaisseur de la couche de NbN, mais le rapport entre la section du point chaud et celle de la bande supraconductrice diminuerait, puisque la largeur de cette bande est limitée à lOOnm par le faisceau d'électrons, et cela provoquerait un effondrement de l'efficacité globale (voir [Korneev 03]) .
L'efficacité de détection ne peut donc excéder environ 15% avec cette architecture. Elle atteint 5% à 7% avec les longueurs d'ondes utilisées pour les télécommunications dans la dernière génération de détecteurs (voir [Korneev 04]).
Il serait probablement difficile de faire mieux car la très grande longueur de la bande de NbN
(150 μm à 200 μm lorsque cette bande est « déroulée ») présente deux inconvénients, à savoir la non-uniformité de la largeur de la ligne et les fluctuations classiques ou quantiques du fluide supraconducteur, qui laissent peu d'espoir d'approcher l'efficacité maximale . Plusieurs approches ont été proposées pour augmenter le couplage de la lumière dans la région absorbante du détecteur.
On a par exemple proposé d'utiliser un miroir et une éventuelle couche anti-reflet. La lumière qui a traversé le NbN sans avoir été absorbée est alors renvoyée sur le NbN par un miroir concave (voir [FR 2812455]) ou par un miroir plan (voir [LeCoupanec 03]) . Le film de NbN est éventuellement recouvert d'une couche anti-reflet pour éliminer les pertes par réflexion de l'onde incidente.
L'efficacité de détection attendue est de 40% mais elle est de toute façon limitée par le taux de remplissage (50%) qui est inhérent à toute conception de film que l'on attaque sous incidence normale.
On a également proposé d'utiliser un couplage par guide d'onde (voir [JPL 03]) . La lumière incidente se propage alors dans un guide d' onde plan en silicium. Le serpentin déposé par-dessus absorbe l'onde évanescente associée au mode guidé et le photon est susceptible d'être absorbé à chaque passage de l'onde évanescente par un trait du méandre. L'épaisseur de NbN traversée à chaque passage (100 nm à 200 nm) est bien plus importante que dans le cas d'une incidence normale où cette épaisseur vaut 4nm. Mais, comme la plus grande partie de l'intensité passe dans le guide, il faut de nombreux méandres pour que l'absorption soit complète.
L'efficacité peut en principe atteindre des valeurs très élevées mais elle est, là aussi, limitée par la très grande longueur de la bande supraconductrice . De plus, d'un point de vue technologique, la faisabilité de la croissance de NbN monocristallin sur Si n'a pas encore été clairement démontrée .
EXPOSE DE I/ INVENTION
La structure en méandres, dispositif de couplage optique actuellement mis en oeuvre dans les HEB en NbN, n'est pas optimisée à cause du taux de remplissage peu élevé, de l'absorption trop faible par la couche de NbN, et de la grande longueur des méandres qui augmente le bruit et dégrade les caractéristiques électriques du fait des non-uniformités de largeur des méandres .
De ce fait, l'efficacité de détection est limitée à 20% dans le domaine visible. Avec les longueurs d' ondes utilisées pour les télécommunications, elle est encore plus faible (moins de 10%) et le bruit est plus important car l'énergie du photon est plus faible. Un pixel de plus grande taille, mieux adapté à des longueurs d'ondes plus élevées, nécessiterait des méandres encore plus longs.
La conception du détecteur (par exemple du SSPD, plus précisément du HEB), que l'on propose dans la présente invention, abandonne la structure en méandres avec ses limitations. Son originalité réside dans l'adressage optique du photon vers un détecteur, notamment un détecteur supraconducteur, à géométrie optimisée, par l'intermédiaire de plasmons de surface qui sont guidés dans un guide métallique. Les zones de couplage optique et de détection par le HEB sont à présent séparées. La présente invention a divers avantages.
En particulier, le couplage optique est nettement plus efficace que dans la structure en méandres. En effet, le taux de remplissage est proche de 100%.
De plus, l'énergie est entièrement absorbée dans l'élément actif du détecteur.
En outre, la longueur de la bande de détection, qui constitue le thermomètre du HEB ou de la jonction STJ, peut être au moins dix fois plus petite que celle de la structure en méandres. Les problèmes liés à la non-uniformité de la largeur de la bande supraconductrice et aux fluctuations électroniques classiques ou quantiques disparaissent en grande partie.
L'efficacité de détection peut donc atteindre des valeurs très élevées, le bruit est plus faible et la gigue (en anglais, jitter) est réduite. En effet, il y a moins de bruit de phase et une meilleure uniformité de température dans une bande supraconductrice plus courte.
De plus, l'invention peut être mise en oeuvre par des moyens technologiques existants.
De façon précise, la présente invention a pour objet un détecteur optique, destiné à détecter au moins un photon (de un à une dizaine de photons) , ce détecteur comprenant un substrat diélectrique et, sur ce substrat, au moins un élément de détection bolométrique qui est prévu pour engendrer un signal électrique à partir de l'énergie du ou des photons reçus, ce détecteur étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un élément de couplage qui est formé sur le substrat, est distinct de l'élément de détection bolométrique et comprend un élément métallique, prévu pour engendrer un plasmon de surface par interaction avec le ou les photons et pour guider ce plasmon de surface jusqu'à l'élément de détection bolométrique qui absorbe alors l'énergie de ce plasmon de surface.
On précise que l'élément de détection bolométrique est un élément bolométrique qui est à l'équilibre thermique ou hors d'équilibre thermique (comme pour les bolomètres à électrons chauds) .
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, l'élément de détection bolométrique forme une bande mince et courte.
Selon un premier mode de réalisation particulier du détecteur objet de l'invention, l'élément de détection bolométrique comprend une monocouche d'un matériau qui est choisi parmi les matériaux bolométriques et les matériaux supraconducteurs .
Selon un deuxième mode de réalisation particulier, l'élément de détection bolométrique comprend une multicouche supraconductrice formant une jonction tunnel et/ou une jonction Josephson.
La jonction tunnel peut être une jonction tunnel magnétique.
Selon un premier mode de réalisation particulier de l'invention, l'élément de détection bolométrique et l'élément métallique sont sensiblement rectilignes et l'élément métallique se prolonge longitudinalement par l'élément de détection bolométrique .
De préférence, dans ce cas, l'élément métallique a une première largeur et l'élément de détection bolométrique a une deuxième largeur qui est inférieure à la première largeur, et l'élément métallique se raccorde à l'élément de détection bolométrique par une extrémité.
Selon un deuxième mode de réalisation particulier de l'invention, l'élément de détection bolométrique et l'élément métallique sont sensiblement rectilignes et l'élément de détection bolométrique est perpendiculaire à l'élément métallique.
De préférence, la génération du plasmon de surface est obtenue par couplage dans une configuration de type Otto ou de type Kretschmann ou par couplage au moyen d'un réseau de diffraction, qui est formé sur l'élément métallique, ou au moyen d'un guide d'onde diélectrique qui est formé sur l'élément métallique ou qui est formé entre ce dernier et le substrat et a un indice de réfraction supérieur à celui du substrat.
Le détecteur objet de l'invention peut comprendre en outre une fibre optique pour transporter le ou les photons en vue du couplage. L'extrémité de la fibre optique peut être clivée selon un angle de clivage qui permet la génération du plasmon de surface par couplage dans la configuration de type Otto.
En variante, l'extrémité de la fibre optique est clivée selon un angle de clivage qui permet la génération du plasmon de surface par couplage dans la configuration de type Kretschmann et l'indice de réfraction du substrat est inférieur à celui du cœur de la fibre optique.
Selon une autre variante, l'extrémité de la fibre optique est clivée selon un angle de clivage qui permet la génération du plasmon de surface par couplage dans la configuration de type Kretschmann et l'indice de réfraction du substrat est supérieur à celui du cœur de la fibre optique, et une couche diélectrique, dont l'indice de réfraction est supérieur à celui du substrat, est prévue sur l'élément métallique, entre ce dernier et la fibre optique.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, l'élément métallique de l'élément de couplage constitue un guide destiné au couplage d'un faisceau lumineux incident focalisé, formé par le ou les photons, vers un plasmon de surface à grande distance (en anglais, « long range surface plasmon ») , ce couplage se faisant par la tranche du guide, en une première extrémité de celui-ci.
Le guide peut alors être un guide effilé (en anglais, « taper ») dont la deuxième extrémité est moins large que la première extrémité.
Dans ce cas, l'élément de détection bolométrique peut être sensiblement rectiligne, placé en regard de la deuxième extrémité du guide et perpendiculaire à cette deuxième extrémité ; ou au moins une partie de l'élément de détection bolométrique peut être sensiblement rectiligne, cette partie étant placée sous la deuxième extrémité du guide, parallèlement à cette deuxième extrémité. Le guide peut aussi être un guide droit à plasmon de surface à grande distance, placé entre deux miroirs à plasmon, à savoir deux miroirs réfléchissants
(par exemple en or ou en argent) , disposés en entrée et en sortie de guide et par exemple déposés sur les facettes de la puce (en anglais, chip) du détecteur. Le guide muni des deux miroir constitue ainsi un résonateur à plasmon. L'élément de détection bolométrique est alors sensiblement rectiligne et placé au moins en partie sous le guide, par exemple parallèlement ou perpendiculairement à ce guide.
Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, le détecteur comprend un ensemble d'éléments de couplage et un ensemble d'éléments de détection bolométriques, l'ensemble des éléments de couplage formant une matrice d'éléments sur le substrat et étant destiné au couplage d'un faisceau lumineux incident collimaté, formé par le ou les photons, ce couplage ayant lieu par réflexion totale atténuée, en configuration Otto ou Kretschmann, et dans lequel chacun des éléments de détection constitue un pont qui relie deux éléments de couplage adjacents.
De préférence, chaque élément de couplage constitue un résonateur suivant une direction parallèle au plan d'incidence du faisceau lumineux sur le substrat .
Alors, de préférence, chaque élément de couplage constitue en outre un résonateur suivant une direction perpendiculaire au plan d' incidence du faisceau lumineux sur le substrat. Selon un mode de réalisation préféré du détecteur objet de l'invention, chaque élément de détection bolométrique comprend une phase de nitrure supraconductrice . Cette phase peut être du nitrure de niobium.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnée ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure IA est une vue en coupe longitudinale schématique d'un exemple du détecteur objet de l'invention,
- la figure IB est une vue de dessus schématique du détecteur objet de la figure IA,
- la figure IC est une vue schématique de moyens de commande et de traitement associés au détecteur des figures IA et IB,
- la figure ID est une vue de dessus schématique d'un autre exemple du détecteur objet de 1' invention,
- la figure IE est une vue de dessus schématique d'une variante de la figure ID,
- la figure 2 est une vue en coupe longitudinale schématique d'un autre exemple du détecteur objet de l'invention,
- la figure 3 est une vue en coupe longitudinale schématique d'un autre exemple du détecteur objet de l'invention, - la figure 4A est une vue en coupe longitudinale schématique d'un autre exemple du détecteur objet de l'invention,
- la figure 4B est une vue de dessus schématique du détecteur de la figure 4A,
- la figure 5A est une vue en coupe longitudinale schématique d'un autre exemple du détecteur objet de l'invention,
- la figure 5B est une vue de dessus schématique du détecteur de la figure 5A,
- la figure 6A est une vue en perspective schématique d'un mode de réalisation préféré du détecteur objet de l'invention,
- la figure 6B est une vue de dessus schématique et partielle du détecteur de la figure 6A,
- la figure 7 est une vue de dessus schématique et partielle d'une variante de ce détecteur de la figure 6A,
- la figure 8A est une vue en perspective schématique d'un autre mode de réalisation de
1' invention,
- la figure 8B est une vue en coupe schématique et partielle du détecteur de la figure 8A,
- la figure 9A est une vue en coupe longitudinale schématique d'un autre exemple du détecteur objet de l'invention,
- la figure 9B est une vue de dessus schématique du détecteur de la figure 6A,
- la figure 1OA est une vue de dessus schématique d'un autre détecteur conforme à
1' invention, - la figure 10B est une vue en coupe schématique et partielle du détecteur de la figure 1OA,
- la figure 1OC est une vue schématique de deux éléments de couplage adjacents de ce détecteur de la figure 1OA, qui sont reliés par un pont en matériau supraconducteur, et
- les figures HA à HE illustrent schématiquement des étapes d'un procédé de fabrication d'un élément en matériau supraconducteur, utilisé pour fabriquer un détecteur conforme à l'invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
On décrit ci-après divers détecteurs conformes à l'invention ainsi que le fonctionnement de ces détecteurs, dans le cas d'un faisceau lumineux incident focalisé puis d'un faisceau lumineux incident collimaté .
On se place tout d'abord dans le cadre d'un faisceau incident focalisé, dont la largeur vaut typiquement quelques micromètres et qui est issu d'une fibre optique monomode ou d'une optique focalisante comme par exemple un objectif de microscope.
Un premier exemple de détecteur conforme à l'invention est vu en coupe longitudinale sur la figure IA et de dessus sur la figure IB.
Ce détecteur 2 comprend un substrat diélectrique 4 et un élément de détection bolométrique 6 formé sur ce substrat et fait d'un matériau supraconducteur, de préférence le NbN. Cet élément forme une bande mince, courte et sensiblement rectiligne . Typiquement, l'épaisseur E de cette bande est inférieure à 10 nm, sa largeur 1 est inférieure à 1 μm et sa longueur L est inférieure à 100 μm mais avantageusement supérieure à la longueur δsp de propagation du plasmon à la surface du matériau supraconducteur, le NbN dans l'exemple, par rapport à l'air.
Dans l'exemple E vaut 4 nm, 1 vaut 0,2 μm et L vaut 10 μm. Le détecteur 2 comprend aussi un élément de couplage 8 qui est formé sur le substrat. Cet élément 8 est distinct de l'élément de détection bolométrique 6 mais en contact avec lui. L'élément de couplage 8 comporte un élément métallique sensiblement rectiligne 10 qui se prolonge longitudinalement par l'élément de détection bolométrique 6.
L'élément de couplage 8 est prévu pour recevoir un ou quelques photons que l'on veut détecter, par exemple un photon unique, et pour communiquer l'énergie de ce photon à l'élément de détection bolométrique 6. Dans l'exemple, le photon est amené vers l'élément métallique 10 par une fibre optique 11, plus précisément par le cœur (en anglais, core) (non représenté) de cette fibre. L'élément de détection bolométrique est prévu pour engendrer un signal électrique à partir de l'énergie du photon et permettre la propagation électrique, rapide et sans distorsion, du signal détecté.
Remarquons que la fibre optique 11 est disposée en incidence oblique dans l'exemple des figures IA et IB. Dans cet exemple, l'énergie du photon est communiquée à l'élément de détection bolométrique sous la forme d'un plasmon de surface 12 : l'élément métallique 10 engendre ce plasmon par interaction avec le photon et guide ce plasmon jusqu'à l'élément de détection 6.
Deux électrodes (non représentées) sont formées respectivement aux deux extrémités de la structure formée de l'élément de détection bolométrique 6 et de l'élément de couplage 8. Chaque électrode est constituée d'une ou plusieurs couches d'un métal approprié, par exemple l'or. Ces électrodes permettent la connexion de l'élément de détection 6 à des moyens de commande et de traitement 15 que l'on voit sur la figure IC, sur laquelle ces électrodes ont respectivement les références 14 et 16.
Ces électrodes ont les références 3 et 4 sur la figure ID sur laquelle on reviendra par la suite et qui est une vue de dessus schématique d'un détecteur conforme à l'invention.
Sur la figure IC, on voit un cryostat 18 prévu pour maintenir le détecteur 2 à une température très inférieure à la température critique de NbN. On voit aussi les moyens de commande et de traitement 15. Ces moyens 15 comprennent un té de polarisation 20, qui est relié aux électrodes 14 et 16 et qui permet de séparer les signaux rapides de détection, dont la fréquence est de l'ordre de 1 GHz, du courant continu d'alimentation du détecteur, au moyen de lignes de propagation dont la structure est coplanaire et dont l'impédance est adaptée (voir figure
ID) .
Ces moyens 15 comprennent aussi une source de courant de polarisation qui est reliée au té et prévue pour polariser le détecteur 2 par un courant continu dont l'intensité est inférieure à l'intensité critique du détecteur. Des moyens spécifiques (non représentés) d' amplication ou de multiplexage de signaux peuvent être prévus dans le cryostat. La figure ID est une vue de dessus schématique d'un mode de réalisation particulier du détecteur objet de l'invention.
Ce détecteur comprend encore le substrat 4 et, sur ce dernier, deux structures électriquement conductrices 26 et 27. La structure 27 forme une bande sensiblement rectiligne. Elle est prolongée par l'élément de couplage 8 qui comprend encore l'élément
10 suivi de la zone 28.
Cette zone 28 est suivie de l'élément de détection bolométrique rectiligne 6, dont les extrémités ont la référence 25.
La structure 26 s'étend de part et d'autre de l'ensemble comprenant la bande 27, l'élément 8 et l'élément 6. En outre, comme on le voit, cette structure 26 se raccorde à l'extrémité de l'élément 6, opposée à celle qui est en contact avec la zone 28.
La structure 26 et la bande 4 délimitent ainsi deux zones 29 du substrat qui sont sensiblement rectilignes et constituent des lignes coplanaires de propagation du signal électrique détecté. La structure 26 est mise à la masse (en anglais « grounded ») .
La bande 4 permet la polarisation du détecteur en courant et la sortie du signal détecté vers le té de polarisation 20 (figure IC) .
L'élément 6 constitue un pont en NbN. A titre purement indicatif et nullement limitatif, ce pont de NbN a une longueur de 5 μm, une largeur de
0,2 μm et une épaisseur de 4 nm ; et la largeur des lignes 29 vaut 30 μm.
La figure IE constitue une variante de la figure ID, sur laquelle on reviendra par la suite.
Considérons à nouveau l'exemple des figures IA et IB. L'énergie véhiculée par l'onde incidente issue de la fibre optique 11, dont le cœur a un diamètre qui vaut typiquement quelques micromètres, est confinée dans deux directions de l'espace avant d'être guidée à la surface de l'élément métallique 10.
En effet, il y a un confinement vertical: la lumière incidente excite un mode plasmon de l'interface entre le diélectrique 32 et l'élément 10, ce dernier constituant un guide de plasmon métallique, et le plasmon excité 12 se propage à l'interface entre le métal et le diélectrique qui surmonte ce métal, à savoir l'air dans l'exemple.
Il y a également un confinement latéral: le plasmon de surface est ensuite guidé vers une zone de focalisation 28 où il subit un confinement latéral.
Dans l'exemple, l'élément métallique 10 a une longueur de l'ordre de 10 μm et une largeur de l'ordre de 5 μm. Plusieurs configurations sont possibles pour le couplage du plasmon.
Une première configuration possible (figure IA) est un couplage de type Otto, première variante de la technique ATR (pour Attenuated Total Reflection) .
L'extrémité 30 de la fibre 11 est clivée selon un angle qui permet au mode guidé dans la fibre de subir une réflexion totale sur l'extrémité 30 et de générer, dans une couche 32 de faible indice de réfraction, une onde évanescente qui vient exciter le mode plasmon à l'interface supérieure du métal de l'élément 10.
Cette couche 32 peut être une couche d' air ou une couche diélectrique de bas indice, comprise entre l'extrémité clivée 30 et l'élément 10.
Cette couche de bas indice doit avoir un indice de réfraction inférieur à l'indice effectif du mode guidé de la fibre, pour assurer la réflexion totale ; son épaisseur vaut typiquement 1 μm. L'angle de clivage de la fibre doit être supérieur à l'angle critique ic de réflexion totale entre la fibre et le diélectrique 32. La valeur de cet angle de clivage est déterminée par le vecteur d' onde du plasmon, qui dépend de la constante diélectrique du métal de l'élément 10 (par exemple l'argent), et par l'indice de réfraction de la couche de bas indice.
En ce qui concerne le choix du métal de l'élément 10, la longueur de propagation du plasmon, qui dépend de la constante diélectrique du métal de l'élément 10 et de l'indice de la couche diélectrique
32, doit être suffisante, typiquement de quelques dizaines de micromètres, pour limiter les pertes. Cette condition est remplie par l'or et l'argent, métaux usuels dans les applications des plasmons . Ces métaux faiblement résistifs conviennent également pour réaliser les structures électriques connectées au détecteur .
L'épaisseur de l'élément, ou film, métallique 10 vaut typiquement quelques dizaines de nanomètres. On précise que les épaisseurs et les indices sont ajustés pour optimiser le couplage, notamment pour que la largeur angulaire de la résonance couvre la dispersion angulaire du mode de la fibre.
On peut également prévoir d' interposer une ou plusieurs couches diélectriques, ayant des indices optiques appropriés, entre la fibre et l'élément 10, pour permettre un bon couplage optique.
La gamme de longueurs d' ondes qui est envisageable pour le détecteur 2 correspond au domaine d'existence de plasmons de surface dans les métaux considérés. Pour l'argent et l'or, la longueur d'onde doit être approximativement égale ou supérieure à 350 nm, et pour NbN, elle doit être approximativement égale ou supérieure à 600 nm. Il convient de noter que la longueur de propagation des plasmons est une fonction croissante de la longueur d'onde.
On précise que la zone délimitée par une ellipse 34 sur la figure IB représente schématiquement l'intersection du faisceau lumineux incident et du plan de l'élément 10. De plus, la longueur de la zone 28 doit être inférieure à la longueur de propagation du plasma . En variante, on peut utiliser un couplage de type Kretschmann (autre variante de la technique ATR) comme le montre la figure 2.
Dans ce cas, l'extrémité clivée 30 de la fibre 11 est directement en contact avec le métal de l'élément 10. Il y a donc une réflexion totale de la lumière qui se propage dans la fibre. L'onde évanescente excite le plasmon à l'interface inférieure métal/substrat, ce qui est possible à condition que l'indice du substrat soit inférieur à celui du cœur de la fibre.
Cette condition n'est pas remplie avec un substrat de saphir, dont l'indice vaut 1,75, et une fibre standard dont le cœur a un indice égal à 1,45. Mais on peut alors envisager d'interposer un matériau de haut indice (indice supérieur à celui du substrat) entre l'élément métallique 10 et la face clivée de la fibre .
Dans une autre variante, qui est schématiquement illustrée par la figure 3, on utilise un couplage au moyen d'un réseau de diffraction (en anglais, diffraction grating) .
Un plasmon est excité à partir de la fibre, qui est clivée perpendiculairement à son axe dans ce cas, avec une incidence normale ou oblique sur le film métallique 10. L'incidence est oblique dans l'exemple de la figure 3. Un réseau de diffraction 36 est prévu à la surface de l'élément, ou film, métallique 10 et l'extrémité de la fibre est placée en regard de ce réseau, en faisant un angle inférieur ou égal à 90° avec ce dernier (voir [Ditlbacher 03] au sujet d'un couplage par réseau) . Les caractéristiques du réseau, à savoir son pas (en anglais, pitch) et son amplitude sont choisies de façon à optimiser le couplage.
D'autres couplages peuvent être envisagés, selon lesquels la fibre optique est couplée au détecteur par la tranche de ce dernier.
Dans une variante, on utilise un couplage par guide d'onde (voir les figures 4A-4B et 5A-5B) .
La lumière issue de la fibre 11, qui est clivée perpendiculairement à son axe, est couplée dans un guide d'onde diélectrique amorphe 38, qui est formé sur l'élément métallique 10. L'onde évanescente qui se propage à l'interface inférieure du guide d'onde 38 se couple au mode plasmon à l'interface métallique inférieure, à condition que l'indice effectif du mode guidé soit supérieur à l'indice du substrat.
Ceci est schématiquement illustré par la figure 4A, sur laquelle le détecteur de l'exemple considéré est vu en coupe longitudinale, et par la figure 4B, sur laquelle il est vu de dessus. On voit que le guide d'onde 38 s'étend également au dessus de l'élément de détection bolométrique 6 et que sa largeur est sensiblement égale à celle de l'élément métallique 10. En variante, on peut déposer l'élément métallique 10 et le NbN par-dessus le guide d'onde diélectrique 38, dont l'indice doit alors être supérieur à celui du substrat 4. Ceci est schématiquement représenté en coupe longitudinale sur la figure 5A et en vue de dessus sur la figure 5B. On peut par exemple former le guide par implantation ionique dans un substrat de Al2O3 ou de MgO. On peut aussi utiliser un guide d'onde en arête (en anglais, ridge waveguide) en LiNbO3, que l'on forme sur le substrat. On sait que l'épitaxie de films de LiNbO3 sur Al2O3 et sur MgO est possible.
En ce qui concerne le guidage et la focalisation du plasmon, une propagation sur plusieurs dizaines de micromètres, avec un excellent confinement latéral, ainsi qu'une focalisation par une terminaison triangulaire ont été obtenues sur des guides d'ondes de quelques micromètres de largeur en argent (voir [Weeber 01]), et en or (voir [Krenn 02]).
Un autre exemple de couplage par la tranche est schématiquement illustré par la figure 6A qui correspond à un mode de réalisation préféré dans le cas d'un faisceau lumineux incident focalisé. En effet, la divergence angulaire de ce faisceau est importante, ce qui rend les techniques de couplage précédemment citées (avec une incidence oblique) limitées. Plus précisément, le faisceau limité par la diffraction (cas le plus favorable) a typiquement une largeur de quelques micromètres et ce faisceau est issu d'une fibre optique monomode ou d'une optique focalisante, par exemple un objectif de microscope. La divergence angulaire est importante (11° pour l'angle total à 1,55 μm) , ce qui rend les techniques traditionnelles de couplage par ATR, en configuration Otto ou Kretschmann, ou de couplage par réseau, peu adaptées au couplage de la lumière vers un plasmon de surface, dont la résonance angulaire est fine et va typiquement de 0,1° à 1°. Pour résoudre ce problème, une solution consiste à coupler la lumière L (figure 6A) de la fibre optique (non représentée) par la tranche (couplage de type « end-fire coupling ») d'un guide métallique G vers le mode à grande distance de propagation ou mode LRSP (pour « long range surface plasmon ») , qui existe en particulier pour un guide très fin (dont l'épaisseur e_ va de 5 à 10 nm) dans une structure symétrique, dont le substrat SB et le superstrat SP ont le même indice (voir le document [Nikolajsen 04]) . La polarisation du faisceau lumineux à détecter doit être de type TM, c'est-à-dire perpendiculaire au guide G.
Ce mode a la particularité d' avoir une extension spatiale importante et un profil de champ qui est compatible avec ceux d'une fibre optique monomode, pour une section de guide e x 1 typiquement égale à
(5 nm à 10 nm) x( 5μm à 10 μm) . Ce guide métallique G joue le rôle d'un « rail » qui guide la lumière sans la confiner fortement . Les pertes de couplage mentionnées dans le document [Nikolajsen 04] se limitent à 10%, et l'on pourrait les réduire en remplissant l'espace compris entre la fibre et le guide par un milieu ayant un indice optique proche de celui du substrat, pour limiter la rétro-réflexion.
Le guide métallique G est fait d'un métal noble, tel que l'argent ou l'or, métaux qui présentent un coefficient d'extinction faible, donc de faibles pertes par dissipation, ce qui autorise de grandes distances de propagation. II convient de noter que la distance entre la fibre et le guide doit être inférieure à la distance de Rayleigh, égale 50 μm pour une fibre monomode à 1,55 μm. Le mode LRSP est ensuite confiné dans une section sub-micronique s du guide effilé (en anglais, « taper ») que constitue le guide métallique G, à l'aide d'un effilement à angle faible, qui réalise une transition adiabatique (donc sans pertes ou presque) du LRSP vers un plasmon de surface localisé ([Stockman 04]) .
Le guide effilé G est relativement long (plusieurs centaines de micromètres) . A son extrémité de sortie, la densité d'énergie est très importante du fait du confinement très fort du champ au moins dans le plan de la couche métallique constituant le guide, et peut être jusqu'à 1000 fois plus grande que la densité existant à l'entrée du guide ([Stockman 04]) . Cette intensification du champ est intéressante pour transférer l'énergie de façon efficace au matériau absorbant (par exemple NbN) de l'élément de détection bolométrique 39a en forme de bande rectiligne, dont la section el x 11 est également très petite et vaut typiquement (4 nm) x (100 à 200 nm) . Sur les figures 6A et 6B, on voit aussi les contacts 39b qui sont prévus aux extrémités de la bande 39a.
Si l'extrémité de sortie du guide effilé est plus large que l'épaisseur de ce guide, la polarisation reste de type TM tout au long du guide. On peut ainsi exciter un mode de plasmon localisé de la bande 39a en NbN que l'on place à proximité de l'extrémité de sortie du guide G, perpendiculairement à ce guide ([Weeber 99]) . La longueur de cette bande 39a, formant un nanofil, est suffisamment grande pour absorber le plasmon (dans NbN, on peut choisir une longueur d'une dizaine de micromètres à une longueur d'onde de 1,55 μm) , ou est fixée à un multiple de la moitié de la longueur d'onde du plasmon ([Schider 03]), de façon à constituer une antenne résonnante et en même temps absorbante.
On peut réaliser une telle structure en déposant successivement sur le substrat, le guide, une couche très fine d'un matériau diélectrique puis la bande de NbN. D'autres techniques peuvent être envisagées, et par exemple basées sur l'hybridation.
La bande 39a de NbN peut aussi être positionnée sous l'extrémité de sortie 40 du guide G, parallèlement à ce guide (figure 7) . Le matériau absorbant (NbN dans l'exemple) absorbe l'onde évanescente qui circule à proximité du guide. Le fait d'utiliser un guide effilé permet d'augmenter le champ et donc de diminuer la longueur nécessaire de NbN.
Remarquons que dans l'exemple de la figure 7, la bande 39a est en deux parties 39c et 39d, qui sont perpendiculaires l'une à l'autre, et seule la partie 39d est parallèle au guide G.
Au lieu d'un guide effilé, une autre solution consiste à utiliser un guide droit à LRSP placé entre deux miroirs en tant que résonateur (figures 8A et 8B) . Les deux miroirs (non représentés) sont deux miroirs réfléchissants, par exemple en or ou en argent, disposés en entrée ou en sortie de guide et par exemple déposés sur les facettes de la puce du détecteur. La longueur de ce guide droit 41 est un multiple de la moitié de la longueur d'onde du LRSP, elle-même très proche de la longueur d' onde dans le vide de la lumière détectée. La bande rectiligne 39a de NbN est placée au moins partiellement sous le guide 41, par exemple perpendiculairement à ce guide. Le LRSP subit de multiples allers-retours dans la cavité et il est partiellement absorbé dans le NbN à chaque passage.
L'utilisation d'un mode LRSP permet d'éviter les pertes par dissipation dans le métal. Cette solution nécessite un contrôle précis des dimensions pour que la structure résonne à une longueur d'onde donnée.
A titre d'exemple, on donne ci-après diverses valeurs numériques relatives à un détecteur conforme à l'invention :
- épaisseur de l'élément de couplage 8 : typiquement lOnm, éventuellement quelques nanomètres comme la bande supraconductrice 6 ;
- largeur de l'élément de couplage : quelques micromètres, largeur bien adaptée aux dimensions d'une fibre optique ; - longueur de l'élément de couplage : bien plus petite que la distance de propagation du plasmon ;
- section de sortie de la pointe focalisante 28: sensiblement identique à celle de la bande supraconductrice 6 (quelques dixièmes de micromètres par quelques nanomètres) ; - longueur de la pointe focalisante 28: également inférieure à la distance de propagation du plasmon ; la forme de cette pointe focalisante (forme triangulaire ou autre) est optimisée de façon à minimiser les pertes.
On donne ci-après des précisions sur le guidage, l'absorption et la détection dans la bande supraconductrice 6.
Cette bande supraconductrice est un guide à plasmons avec pertes par absorption. Plusieurs configurations sont possibles:
- nano-guide supraconducteur aligné avec le guide, ou élément métallique 8 (voir [Dickson 00] pour des nano-guides d'or ou d'argent) : cette configuration correspond aux exemples des figures 1A-1B, 2, 3, 4A-4B et 5A-5B ; la lumière se propage dans la bande de NbN dans un mode plasmon guidé, à l'interface NbN/air ou NbN/substrat , suivant le couplage utilisé ; la longueur de ce nano-guide doit être supérieure à la longueur caractéristique de propagation du plasmon à l'interface entre NbN et l'air ou un diélectrique de bas indice, longueur qui est de l'ordre de 5μm à lOμm ;
- nano-guide en NbN perpendiculaire au guide, ou élément, métallique: la bande de NbN se comporte alors comme un nano-fil qui guide la lumière et qui est attaqué par une polarisation parallèle à son axe [Weeber 99] , selon un processus de type plasmon localisé ; la longueur du nano-guide est alors supérieure à la longueur de propagation ; un exemple de détecteur correspondant à une telle configuration est schématiquement illustré par la figure 9A (vue en coupe longitudinale) et par la figure 9B (vue de dessus) ; on y voit la bande de NbN 6, l'élément métallique 42 pourvu d'une zone de focalisation 44, par laquelle l'élément 42 se raccorde à la bande 6, et le substrat 4 sur lequel est formé le détecteur.
La détection de l'énergie portée par le plasmon dans le supraconducteur peut se faire:
- soit selon le principe d'un bolomètre à électrons chauds à seuil, le bolomètre étant alors polarisé par un courant sous-critique (voir [Korneev 04]) ; ce cas correspond à l'exemple de la figure IC ;
- soit par une jonction tunnel supraconductrice suivant le principe des récepteurs SIS (supraconducteur-isolant-supraconducteur) , en supprimant le courant Josephson au moyen d'un champ magnétique ; ce cas est schématiquement illustré par l'exemple de la figure IE qui est une vue de dessus schématique et partielle d'une variante de la figure ID ; le supraconducteur peut être par exemple du NbN et l'isolant du MgO ou un nitrure de tantale dont l'épaisseur vaut typiquement 1 nm ; dans l'exemple de la figure IE, le pont 6 est ainsi remplacé par une jonction tunnel Josephson 6a qui est par exemple de type NbN-MgO-NbN ; la couche I de MgO est alors comprise entre les deux couches II et III de NbN ; l'une II de ces deux couches de NbN est électriquement reliée à la zone 28 et l'autre couche III de NbN est reliée à la structure 26 ;
- soit par détection du courant Josephson d'une jonction supraconductrice ou d'un SQUID (pour
Superconducting Quantum Interférence Device) . D'autres matériaux que des supraconducteurs peuvent être envisagés pour la détection : on peut utiliser un matériau bolométrique, par exemple une manganite ou un cuprate, ou encore un matériau semiconducteur dont le gap (largeur de bande interdite) est adapté à la longueur d'onde du photon à détecter.
De plus, l'élément de détection bolométrique peut être constitué d'une seule couche du matériau considéré (par exemple dans le cas des bolomètres) ou constitué d'une multicouche (dans le cas d'une jonction tunnel supraconductrice et/ou d'une jonction Josephson ou d'une jonction tunnel magnétique) .
On considère dans ce qui suit le cas d'un faisceau lumineux incident collimaté.
Avec un faisceau collimaté dont la largeur vaut au moins 100 μm, la divergence angulaire est réduite à moins de 1° et permet d'envisager un couplage efficace de la lumière vers un plasmon de surface, par une technique traditionnelle de couplage par réflexion totale atténuée (ATR) , en configuration Otto ou Kretschmann, pour des couches métalliques planes. Le faisceau est alors en incidence oblique au-dessus de la structure . Cependant, avec un faisceau dont la largeur vaut typiquement 100 μm, il n'est pas possible de réaliser un couplage efficace vers un mode LRSP dont la résonance angulaire est extrêmement fine. On ne peut coupler efficacement la lumière que vers les modes qui sont confinés au niveau d'une seule interface métallique, à savoir une interface supérieure ou une interface inférieure (Otto/Kretschmann) ; or ces modes s'atténuent sur des distances caractéristiques qui sont inférieures à 100 μm. Dans ces conditions, l'énergie ne peut être transférée à l'élément absorbant. On peut alors envisager, comme le montrent les figures 1OA et 10B, de fragmenter la zone de métal noble (par exemple Au ou Ag) , couverte par le faisceau à détecter 45, en de multiples éléments de couplage 46 formant une matrice sur le substrat 47. En outre, deux éléments contigus 45 sont reliés par un pont filiforme 48 en NbN qui s'appuie sur deux jonctions NbN/métal, ayant chacune une aire de l'ordre de 1 μm2, et qui absorbe l'énergie du plasmon.
La figure 1OC est une vue agrandie de l'un des ponts 48 en NbN, qui relie deux éléments ou cellules 46. Les deux jonctions NbN/métal correspondantes ont la référence 50 pour cette figure.
Comme le transfert d'énergie d'une cellule métallique 46 vers un pont filiforme en NbN associé n'est pas optimisé du fait de l'absence de guide effilé, il faut choisir la longueur de la cellule, dans la direction du faisceau incident (ou, plus précisément, parallèlement au plan d'incidence du faisceau sur le substrat portant la matrice, ce plan étant repéré par la ligne I) , pour que cette cellule soit un résonateur, et donc donner à cette longueur une valeur égale à un multiple de λ/2, où λ représente la longueur d'onde du faisceau, tout en donnant à cette longueur une valeur nettement inférieure à la distance de propagation du plasmon dans le métal de la cellule. A chaque passage du plasmon sp à l'extrémité de la cellule, l'énergie est transférée au NbN sous forme de plasmon localisé qui s'atténue très rapidement, au bout de quelques micromètres, ou est simplement absorbée par le NbN qui constitue un matériau absorbant.
La largeur de la cellule est aussi un multiple de λ/2 pour que la cellule résonne aussi dans la direction perpendiculaire à la précédente (plus précisément perpendiculaire au plan d'incidence du faisceau), afin de collecter efficacement l'énergie pour tenir compte de la largeur angulaire du faisceau également dans cette direction, même si cette largeur est réduite. D'un point de vue électrique, toutes les cellules 46 d'une même colonne de la matrice peuvent être reliées en série et être traversées par le même courant de polarisation. Une telle configuration est utilisée dans l'exemple de la figure 1OA, où l'on voit en outre deux contacts 51 qui sont respectivement formés aux deux extrémités du circuit ainsi obtenu. Toutefois, d'autres configurations électriques sont envisageables. La longueur cumulée de NbN est très courte (quelques micromètres) car l'espace entre deux cellules est très faible, inférieur à 1 μm.
On donne dans ce qui suit des indications sur un procédé de fabrication d'un détecteur monolithique de photon unique incluant les couches et structures qui permettent la photogénération d'un plasmon de surface, la propagation de ce dernier et la détection de ce plasmon par un élément de type HEB en NbN.
Les étapes du procédé de fabrication d'un tel détecteur bolométrique supraconducteur HEB en NbN sont données ci-après.
On peut également se référer au document [Romestain 2004].
1. Préparation du support, ou substrat, en vue d'y déposer la couche très mince du supraconducteur (NbN) et d'y réaliser la structure du détecteur
On utilise typiquement un substrat monocristallin de corindon ou saphir, dont l'orientation cristalline est de préférence plan-R
(1102) . La face sur laquelle le dépôt des couches du bolomètre seront effectuées possède un poli de qualité épitaxiale, adapté à l'épitaxie du silicium. On peut aussi utiliser un substrat SOS dont le diamètre vaut typiquement environ 75 mm. Ce diamètre peut aller jusqu'à 300 mm. Des surfaces et formes différentes du substrat sont également possibles.
On procède à un nettoyage de la surface du substrat, typiquement par immersion de ce dernier dans un bain d'acétone, puis dans un bain d'alcool, puis par exposition à des ultrasons. En variante on procède à un traitement de surface à haute température du substrat, cette température étant typiquement supérieure à 10000C, afin de reconstruire la qualité cristalline de sa surface.
D'autres substrats monocristallins peuvent être utilisés, par exemple des lames monocristallines d' oxydes dont la maille cristalline ne présente pas un trop fort désaccord de paramètre avec celle de la couche en NbN dont le paramètre de maille a vaut environ 0,44 nm. On peut par exemple utiliser des lames monocristallines d' oxydes en phase cubique de type NaCl ou Bl, comme MgO (a. environ 0,42 nm) , ou des substrats en LaAlO3 ou en ZrO2-Y2O3.
On peut également utiliser des substrats monocristallins de fluorures tels que CaF2 par exemple. On peut aussi utiliser des lames faites de semiconducteurs tels que le silicium ou le germanium, ou des structures SOI. Cependant, l'emploi de substrats semiconducteurs tels que le silicium nécessite d'effectuer une combinaison de traitements de surface spécifiques ex-situ et in-situ avant de réaliser l'étape suivante.
2. Dépôt de la couche active très mince du détecteur, en nitrure de niobium, par pulvérisation cathodique
La couche supraconductrice de NbN, ayant quelques nanomètres d'épaisseur et des propriétés supraconductrices reproductibles (température critique de l'ordre de 1OK, ou supérieure à 10 K, pour une épaisseur d'environ 3,5 nm) , et constituant l'élément critique du détecteur, peut-être obtenue par une pulvérisation cathodique magnétron continue d'une cible de niobium de haut degré de pureté (>99, 99 %) , dans un mélange d'argon et d'azote, lorsque le substrat (du type saphir-plan-R ou autre suivant les critères définis dans le paragraphe 1) est porté uniformément à une température de l'ordre de 6000C pendant le dépôt. Pour les conditions du dépôt ainsi que la procédure de nitruration de la cible de niobium, on se reportera à [Villégier 01] .
Une étape de dégazage de la chambre de pulvérisation permet d' obtenir la qualité de vide requis pour le dépôt. Il convient de noter que le matériau-cible est de préférence le niobium mais que d' autres variantes décrites dans la littérature permettent de stabiliser d' autres fines couches supraconductrices par exemple de niobium, TiN, MoN ou YBaCuO.
Une couche passivante de surface (dans le cas présent, une très mince couche de nitrure d'aluminium amorphe) est déposée sur la couche de nitrure afin que les propriétés électriques, physico-chimiques, mécaniques et optiques de la couche très mince de nitrure de niobium ne soient pas altérées ultérieurement par la formation d'une fine couche d'oxyde (hydroxyde ou/et carboxyde) natif ou/et thermique. A ce sujet, on se reportera au document [Romestain 2004].
3. Lithographie du nano-pont HEB-NbN (taille environ 10μmxl00nmx4nm) par insolation électronique On utilise une résine (en anglais, resist) positive ou négative, qui est sensible aux électrons. L'épaisseur de cette résine peut aller de 50nm à 500nm mais dépend de la nature de la résine. On peut utiliser une résine qui disparaît après révélation dans les zones insolées par les électrons. Dans ce cas, on inscrit la forme à découper dans la résine et cette forme est ensuite découpée dans la couche très mince de NbN au moyen d'une gravure RIE, c'est-à-dire d'une gravure ionique réactive (en anglais reactive ion etching) , à l'aide d'un gaz de type SF6. On retire ensuite la couche de résine restante par la même technique, au moyen d'un plasma d'oxygène (délaquage).
En variante, on peut utiliser une lithographie électronique en polarité inverse. On décrit alors le pont de NbN et les plots de contact par une insolation électronique qui durcit la résine.
En prenant l'exemple de la figures ID, le pont de NbN correspond à la référence 6 sur cette figure. Les plots de contact correspondent à la référence 2 sur cette figure et servent à la connexion de la structure de masse 26, de la structure de propagation des signaux 27 et de la structure de couplage optique 8.
Selon une autre variante, on utilise une lithographie optique à l'aide d'un rayonnement ultraviolet profond, c'est-à-dire un rayonnement dont la longueur d'onde est inférieure à 0,3 μm. Une telle lithographie permet aussi d'obtenir la dimension de pont souhaitée
Selon une autre variante, on forme un nano- pont en NbN par anodisation du NbN sous la pointe d'un microscope à force atomique.
Un exemple de procédé est schématiquement illustré par les figures HA à HE.
On forme d'abord une couche 60 de NbN sur un substrat 62 en saphir plan-R. Pour ce faire, on effectue un dépôt épitaxial de NbN par pulvérisation cathodique continue à 6000C (figure HA) .
On dépose ensuite une couche de résine électronique positive 64 sur la couche de NbN 62 (figure HB) . Puis on grave cette couche 64 par un faisceau d'électrons pour définir la forme souhaitée pour l'élément de NbN utilisé dans le détecteur.
Ensuite, on effectue une gravure ionique réactive fluorée du NbN (figure HC) . Puis on élimine la résine restante 66 au moyen d'un plasma d'oxygène (figure HD) . On obtient ainsi l'élément souhaité en NbN 68 sur le substrat 62.
On dépose ensuite des contacts en or 70 et 72 (figure HE) aux deux extrémités de cet élément par une technique de pelage (en anglais, lift off) , par immersion dans un solvant, par exemple l'acétone.
4. Formation de la structure de génération du plasmon de surface, de polarisation en courant continu et de propagation coplanaire du signal détecté au moyen de dépôt (s) de couche (s) d'or ou d'alliages appropriés, à travers un masque de pelage (en anglais, lift-off) .
Cette étape consiste à amener une ou plusieurs couches d' or structurées sur la couche de NbN, de façon adaptée. Ces couches serviront à l'absorption du photon converti en plasmon, à sa propagation et à la mise en oeuvre électronique du détecteur. Des dépôts successifs de couches d'épaisseur adaptée permettent d' améliorer le couplage et la propagation du plasmon. En outre, on procède à un contrôle des éléments critiques du détecteur HEB en NbN. Les principaux paramètres des couches et structures résultant du procédé mis en oeuvre sont estimés au moyen d'outils de caractérisation physico-chimique et de mesure, du genre de ceux que l'on utilise en microélectronique, notamment pour faire des mesures d'épaisseurs nanométriques à l'aide de rayons X rasants, ou d'une diffraction par rayons X (en anglais, X-ray diffraction) .
Un détecteur conforme à l'invention n'est pas limité à la détection d'un photon unique : un tel détecteur permet de détecter jusqu'à une dizaine de photons . De plus, dans la présente invention, on peut utiliser des épaisseurs de NbN supérieures à celles qui ont été données dans les exemples. De plus, d'autres supraconducteurs que le NbN sont utilisables, par exemple d' autres phases de nitrures supraconductrices ou encore des phases de cuprates supraconductrices à haute température. On peut citer à titre d'exemple MoN, TaN, TiN, VN, MgB2, Yba2Cu307-x, ReBa2Cu3O7-X, TiNNb, MoGe, MoRe, NbSi et HgBaCaCuO. Plus généralement, comme on l'a déjà mentionné, on peut utiliser d'autres matériaux que des supraconducteurs. On peut en effet utiliser n'importe quel matériau capable de détecter une faible énergie lumineuse et de restituer un signal électrique correspondant à cette énergie, par exemple un matériau bolométrique ou un matériau semiconducteur. Ce matériau peut se présenter sous la forme d'une monocouche ou être utilisé dans un empilement constitutif d'une jonction tunnel et/ou Josephson, cet empilement étant par exemple du type NbN/MgO/NbN ou NbN/MgO/NbN ou manganite/couche de barrière/manganite, ou encore métal ferromagnétique/couche de barrière/métal ferromagnétique.
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Claims

REVENDICATIONS
1. Détecteur optique, destiné à détecter au moins un photon, ce détecteur comprenant un substrat diélectrique (4, 47, 52, 62, SP) et, sur ce substrat, au moins un élément de détection bolométrique (6, 6a, 39a, 48, 50, 68) qui est prévu pour engendrer un signal électrique à partir de l'énergie du ou des photons reçus, ce détecteur étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins un élément de couplage (8, 42) qui est formé sur le substrat, est distinct de l'élément de détection bolométrique et comprend un élément métallique (10, 41, 42, 46, G), prévu pour engendrer un plasmon de surface par interaction avec le ou les photons et pour guider ce plasmon de surface jusqu'à l'élément de détection bolométrique (6, 6a, 39a, 48, 50, 68) qui absorbe alors l'énergie de ce plasmon de surface.
2. Détecteur selon la revendication 1, dans lequel l'élément de détection bolométrique forme une bande mince et courte.
3. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel l'élément de détection bolométrique comprend une monocouche d'un matériau qui est choisi parmi les matériaux bolométriques et les matériaux supraconducteurs.
4. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel l'élément de détection bolométrique comprend une multicouche supraconductrice formant une jonction tunnel et/ou une jonction Josephson (6a).
5. Détecteur selon la revendication 4, dans lequel la jonction tunnel est une jonction tunnel magnétique .
6. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l'élément de détection bolométrique et l'élément métallique (10) sont sensiblement rectilignes et l'élément métallique se prolonge longitudinalement par l'élément de détection bolométrique (6, 6a).
7. Détecteur selon la revendication 6, dans lequel l'élément métallique (10) a une première largeur et l'élément de détection bolométrique (6, 6a) a une deuxième largeur qui est inférieure à la première largeur, et l'élément métallique se raccorde à l'élément de détection bolométrique par une extrémité (28) .
8. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l'élément de détection bolométrique et l'élément métallique (42) sont sensiblement rectilignes et l'élément de détection bolométrique (6) est perpendiculaire à l'élément métallique .
9. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la génération du plasmon de surface est obtenue par couplage dans une configuration de type Otto ou de type Kretschmann ou par couplage au moyen d'un réseau de diffraction (36), qui est formé sur l'élément métallique (10), ou au moyen d'un guide d'onde diélectrique (38) qui est formé sur l'élément métallique (10) ou qui est formé entre ce dernier et le substrat (4) et a un indice de réfraction supérieur à celui du substrat.
10. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, comprenant en outre une fibre optique (11) pour transporter le ou les photons en vue du couplage.
11. Détecteur selon la revendication 10, dans lequel l'extrémité (30) de la fibre optique est clivée selon un angle de clivage qui permet la génération du plasmon de surface par couplage dans la configuration de type Otto.
12. Détecteur selon la revendication 10, dans lequel l'extrémité (30) de la fibre optique est clivée selon un angle de clivage qui permet la génération du plasmon de surface par couplage dans la configuration de type Kretschmann et l'indice de réfraction du substrat (4) est inférieur à celui du cœur de la fibre optique (11) .
13. Détecteur selon la revendication 10, dans lequel l'extrémité (30) de la fibre optique est clivée selon un angle de clivage qui permet la génération du plasmon de surface par couplage dans la configuration de type Kretschmann et l'indice de réfraction du substrat (4) est supérieur à celui du cœur de la fibre optique (11) , et une couche diélectrique, dont l'indice de réfraction est supérieur à celui du substrat, est prévue sur l'élément métallique (10), entre ce dernier et la fibre optique.
14. Détecteur selon la revendication 1, dans lequel l'élément métallique (41, G) de l'élément de couplage constitue un guide destiné au couplage d'un faisceau lumineux incident focalisé, formé par le ou les photons, vers un plasmon de surface à grande distance, ce couplage se faisant par la tranche du guide, en une première extrémité de celui-ci.
15. Détecteur selon la revendication 14, dans lequel le guide est un guide effilé (G) dont la deuxième extrémité (s) est moins large que la première extrémité .
16. Détecteur selon la revendication 15, dans lequel l'élément de détection bolométrique (39a) est sensiblement rectiligne, placé en regard de la deuxième extrémité du guide (G) et perpendiculaire à cette deuxième extrémité.
17. Détecteur selon la revendication 15, dans lequel au moins une partie (39d) de l'élément de détection bolométrique (39a) est sensiblement rectiligne et cette partie est placée sous la deuxième extrémité du guide (G) , parallèlement à cette deuxième extrémité .
18. Détecteur selon la revendication 14, dans lequel ce guide est un guide droit (41) à plasmon de surface à grande distance, placé entre deux miroirs à plasmon, et l'élément de détection bolométrique (39a) est sensiblement rectiligne et placé au moins en partie sous ce guide.
19. Détecteur selon la revendication 1, comprenant un ensemble d'éléments de couplage (46) et un ensemble d'éléments de détection bolométriques (48), l'ensemble des éléments de couplage formant une matrice d'éléments sur le substrat (47) et étant destiné au couplage d'un faisceau lumineux incident collimaté, formé par le ou les photons, ce couplage ayant lieu par réflexion totale atténuée, en configuration Otto ou Kretschmann, et dans lequel chacun des éléments de détection constitue un pont qui relie deux éléments de couplage adjacents.
20. Détecteur selon la revendication 19, dans lequel chaque élément de couplage (46) constitue un résonateur suivant une direction parallèle au plan d'incidence du faisceau lumineux sur le substrat.
21. Détecteur selon la revendication 20, dans lequel chaque élément de couplage (46) constitue en outre un résonateur suivant une direction perpendiculaire au plan d' incidence du faisceau lumineux sur le substrat.
22. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 21, dans lequel chaque élément de détection bolométrique (6, 6a, 39a, 48, 50, 68) comprend une phase de nitrure supraconductrice .
23. Détecteur selon la revendication 22, dans lequel cette phase est du nitrure de niobium.
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