一種基于超導納米線的高偏振比單光子探測器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于超導納米線的高偏振比單光子探測器，包括：襯底；抗反射層，結(jié)合于所述襯底表面；超導納米線，呈周期性蜿蜒結(jié)構(gòu)結(jié)合于所述抗反射層表面，所述超導納米線的寬度為不大于75納米，厚度為不小于7納米，占空比為不大于40%。本發(fā)明通過調(diào)整單光子探測器的超導納米線的寬度、厚度以及占空比，實現(xiàn)了單光子探測器較大的偏振比，相比于傳統(tǒng)的偏振探測器件具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、暗計數(shù)低等優(yōu)點，無需要外部集成偏振器件等優(yōu)勢。
【專利說明】一種基于超導納米線的高偏振比單光子探測器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光探測【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種超導納米線單光子探測器，特別是涉及一 種基于超導納米線的高偏振比單光子探測器。

【背景技術(shù)】
[0002] 超導納米線單光子探測器件（Superconducting Nanowire Single Photon Detector，SNSPD)是一種重要的光探測器，可以實現(xiàn)從可見光到紅外波段的單光子探測。
[0003] SNSH)工作時置于低溫環(huán)境中（〈4K)，器件處于超導態(tài)，并加以一定的偏置電流Ib， Ib略小于器件臨界電流I。。當單個光子入射到器件中的納米線條上時，會拆散庫珀對，形成 大量的熱電子，從而形成局域熱點，熱點在偏置電流I b的作用下由于焦耳熱進行擴散，最終 使得納米線條局部失超形成有阻區(qū)。之后熱電子能量通過電聲子相互作用傳遞并弛豫，再 重新配對成超導態(tài)的庫珀對。由于超導材料的熱弛豫時間很短，因此當SNsro接收到單個 光子后，就會在器件兩端產(chǎn)生一個快速的電脈沖信號，從而實現(xiàn)單光子的探測功能。
[0004] 目前，超導納米線單光子探測技術(shù)是近紅外波段綜合性能較好的單光子探測技 術(shù)，在量子通信、深空通信、激光雷達、光纖傳感以及生物熒光光譜等領(lǐng)域具有重要的應用 前景。
[0005] 相比與半導體單光子探測器，比如光電倍增管以及雪崩光電二極管，超導納米線 單光子探測器具有一個重要的特性：即納米線光柵結(jié)構(gòu)的各向異性，對于不同偏振方向的 光在吸收效率上具有較大的差異。目前的超導納米線單光子探測器件SNsro主要采用低溫 超導超薄薄膜材料，比如NbN、Nb、TaN、NbTiN、WSi等，為了保證器件對光子的響應，現(xiàn)有的 超導納米線單光子探測器所采用的厚度約為4-6nm，寬度為100nm左右蜿蜒結(jié)構(gòu)的納米線 結(jié)構(gòu)。但是，這種結(jié)構(gòu)的超導納米線單光子探測器件的偏振比非常低，不適用于要求高偏振 比的單光子探測應用場合。
[0006] 另外，現(xiàn)有的偏振傳感器包括CMOS傳感器、C⑶傳感器等，其自身不具備偏振功 能，因而，采用這些器件制作偏振傳感器時，需要在其外部集成光柵或偏振控制器等器件， 工藝和結(jié)構(gòu)均較為復雜，而且占用的體積較大，不利于集成度的提高。
[0007] 因此，為了滿足偏振敏感的單光子探測應用需求，提供一種具有較高偏振比的超 導納米線單光子探測器實屬必要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種基于超導納米線的高 偏振比單光子探測器，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中超導納米線單光子探測器的偏振比較低、或其 它偏振探測器件結(jié)構(gòu)復雜、體積過大的問題。
[0009] 為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種基于超導納米線的高偏振比單 光子探測器，包括：
[0010] 襯底； toon] 抗反射層，結(jié)合于所述襯底表面；
[0012] 超導納米線，呈周期性蜿蜒結(jié)構(gòu)結(jié)合于所述抗反射層表面，所述超導納米線的寬 度為不大于75納米，厚度為不小于7納米，占空比為不大于40%。
[0013] 作為本發(fā)明的基于超導納米線的高偏振比單光子探測器的一種優(yōu)選方案，所述呈 超導納米線的寬度為不大于75納米，厚度為不小于7納米，占空比為不大于40%。
[0014] 作為本發(fā)明的基于超導納米線的高偏振比單光子探測器的一種優(yōu)選方案，所述單 光子探測器的偏振比隨所述超導納米線的寬度增加而降低，隨厚度增加而增大。
[0015] 作為本發(fā)明的基于超導納米線的高偏振比單光子探測器的一種優(yōu)選方案，所述呈 周期性蜿蜒結(jié)構(gòu)的超導納米線的每個折彎處均為直角或U形拐角。
[0016] 作為本發(fā)明的基于超導納米線的高偏振比單光子探測器的一種優(yōu)選方案，所述襯 底包括硅襯底、MgO襯底或藍寶石襯底，所述抗反射層的材料為二氧化硅，所述超導納米線 的材料為 NbN、Nb、TaN、NbTiN 或 WSi。
[0017] 本發(fā)明還提供一種基于超導納米線的高偏振比單光子探測器，包括：
[0018] 襯底，所述襯底的上下表面分別結(jié)合有上抗反射層及下抗反射層；
[0019] 光學腔體結(jié)構(gòu)，結(jié)合于所述上抗反射層表面；
[0020] 反射鏡，結(jié)合于所述光學腔體結(jié)構(gòu)表面；
[0021] 超導納米線，呈周期性蜿蜒結(jié)構(gòu)結(jié)合于所述上抗反射層與光學腔體結(jié)構(gòu)之間，所 述超導納米線的寬度為不大于75納米，厚度為不小于7納米，占空比為不大于40%。
[0022] 作為本發(fā)明的基于超導納米線的高偏振比單光子探測器的一種優(yōu)選方案，所述單 光子探測器的偏振比隨所述超導納米線的寬度增加而降低，隨厚度增加而增大。
[0023] 作為本發(fā)明的基于超導納米線的高偏振比單光子探測器的一種優(yōu)選方案，所述呈 超導納米線的寬度為不大于75納米，厚度為不小于7納米，占空比為不大于40%。
[0024] 作為本發(fā)明的基于超導納米線的高偏振比單光子探測器的一種優(yōu)選方案，所述呈 周期性蜿蜒結(jié)構(gòu)的超導納米線的每個折彎處均為直角或U形拐角。
[0025] 作為本發(fā)明的基于超導納米線的高偏振比單光子探測器的一種優(yōu)選方案，所述襯 底為硅襯底、MgO襯底、藍寶石襯底，所述光學腔體結(jié)構(gòu)的材料為二氧化硅或一氧化硅，所述 上抗反射層、下抗反射層的材料為二氧化硅或一氧化硅，所述超導納米線的材料為NbN、Nb、 TaN、NbTiN或WSi，所述反射鏡的材料為Ag、Au或A1。
[0026] 綜上所述，本發(fā)明提供一種基于超導納米線的高偏振比單光子探測器，包括：襯 底；抗反射層，結(jié)合于所述襯底表面；超導納米線，呈周期性蜿蜒結(jié)構(gòu)結(jié)合于所述抗反射 層表面，所述超導納米線的寬度為不大于75納米，厚度為不小于7納米，占空比為不大于 40%。本發(fā)明通過調(diào)整單光子探測器的超導納米線的寬度、厚度以及占空比，實現(xiàn)了單光子 探測器較大的偏振比，相比于傳統(tǒng)的偏振探測器件具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、暗計 數(shù)低等優(yōu)點，無需要外部集成偏振器件等優(yōu)勢。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027] 圖1顯示為本發(fā)明的正面入射結(jié)構(gòu)的基于超導納米線的高偏振比單光子探測器 的截面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028] 圖2顯示為本發(fā)明的正面入射結(jié)構(gòu)的基于超導納米線的高偏振比單光子探測器 的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029] 圖3顯示為本發(fā)明的背面入射結(jié)構(gòu)的基于超導納米線的高偏振比單光子探測器 的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030] 圖4顯示為本發(fā)明的基于超導納米線的高偏振比單光子探測器的理論 (Calculation)與實驗（Experiment)的 PC-Period 對比點陣圖。
[0031] 元件標號說明
[0032] 10 襯底
[0033] 20 抗反射層
[0034] 30 超導納米線
[0035] 40 下抗反射層
[0036] 50 上抗反射層
[0037] 60 光學腔體結(jié)構(gòu)
[0038] 70 反射鏡

【具體實施方式】
[0039] 以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書 所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實 施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離 本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。
[0040] 請參閱圖1?圖4。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明 本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實際實施時的組件數(shù) 目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其 組件布局型態(tài)也可能更為復雜。
[0041] 實施例1
[0042] 如圖1?圖2及圖4所示，本實施例提供一種基于超導納米線的高偏振比單光子 探測器，其包括：
[0043] 襯底 10 ;
[0044] 抗反射層20,結(jié)合于所述襯底10表面；
[0045] 超導納米線30,呈周期性蜿蜒結(jié)構(gòu)結(jié)合于所述抗反射層20表面，所述超導納米線 30的寬度為不大于75納米，厚度為不小于7納米，占空比為不大于40%。
[0046] 作為示例，本實施例的基于超導納米線的高偏振比單光子探測器為正面入射結(jié)構(gòu) 的超導納米線30單光子探測器。
[0047] 作為示例，所述單光子探測器的偏振比隨所述超導納米線30的寬度增加而降低， 隨厚度增加而增大。因此，通過調(diào)整所述超導納米線30的寬度及厚度可以獲得偏振比較高 的單光子探測器。
[0048] 另外，在一定的范圍內(nèi)，所述單光子探測器的偏振比隨著超導納米線30的占空比 的降低而提高。因此，通過調(diào)整所述超導納米線30的占空比可以獲得偏振比較高的單光子 探測器，需要說明的是所述占空比，是指超導納米線30的寬度與周期的比值。
[0049] 較優(yōu)選地，所述呈超導納米線30的寬度為不大于75納米，厚度為不小于7納米， 占空比為不大于40%。
[0050] 在一個具體的實施過程中，所述呈超導納米線30的寬度為75納米，厚度為7納 米，占空比為40*%。
[0051] 作為示例，所述呈周期性蜿蜒結(jié)構(gòu)的超導納米線30的每個折彎處均為直角或U形 拐角，如圖2所示。
[0052] 作為示例，所述襯底10包括硅襯底、MgO襯底或藍寶石襯底，所述襯底的厚度為 300?500微米。在本實施例中，所述襯底為硅襯底，其厚度為400微米。當然，其他種類的 襯底或厚度也可能適用于本發(fā)明，因此，并不限定于此處所列舉的幾種示例。
[0053] 作為示例，所述抗反射層20的材料為二氧化硅，所述超導納米線30的材料為NbN、 Nb、TaN、NbTiN或WSi。在本實施例中，所述超導納米線30的材料為NbN。
[0054] 圖4顯示為本實施例的基于超導納米線的高偏振比單光子探測器的理論 (Calculation)與實驗（Experiment)的PC-Period對比點陣圖，其中，所述超導納米線為 NbN超導納米線，其寬度為50nm，Period為納米線的周期，并定義偏振比PC = Ρ,,/Ρι，其 中，Ρ //、Ρ 1分別是探測器對平行極化和垂直極化光的吸收效率。由圖可知，本實施例提供的 基于超導納米線的高偏振比單光子探測器的實驗數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)有較好的吻合，且具有較 高的偏振比。
[0055] 實施例2
[0056] 如圖3所示，本實施例還提供一種基于超導納米線的高偏振比單光子探測器，包 括：
[0057] 襯底10,所述襯底10的上下表面分別結(jié)合有上抗反射層50及下抗反射層40 ;
[0058] 光學腔體結(jié)構(gòu)60,結(jié)合于所述上抗反射層50表面；
[0059] 反射鏡70,結(jié)合于所述光學腔體結(jié)構(gòu)60表面；
[0060] 超導納米線30,呈周期性蜿蜒結(jié)構(gòu)結(jié)合于所述上抗反射層50與光學腔體結(jié)構(gòu)60 之間，所述超導納米線30的寬度為不大于75納米，厚度為不小于7納米，占空比為不大于 40%。
[0061] 作為示例，本實施例的基于超導納米線的高偏振比單光子探測器為背面入射結(jié)構(gòu) 的超導納米線30單光子探測器。
[0062] 作為示例，所述單光子探測器的偏振比隨所述超導納米線30的寬度增加而降低， 隨厚度增加而增大。因此，通過調(diào)整所述超導納米線30的寬度及厚度可以獲得偏振比較高 的單光子探測器。
[0063] 另外，在一定的范圍內(nèi)，所述單光子探測器的偏振比隨著超導納米線30的占空比 的降低而提高。因此，通過調(diào)整所述超導納米線30的占空比可以獲得偏振比較高的單光子 探測器，需要說明的是所述占空比，是指超導納米線30的寬度與周期的比值。
[0064] 較優(yōu)選地，所述呈超導納米線30的寬度為不大于75納米，厚度為不小于7納米， 占空比為不小于40%。
[0065] 在一個具體的實施過程中，所述呈超導納米線30的寬度為75納米，厚度為7納 米，占空比為40*%。
[0066] 作為示例，所述呈周期性蜿蜒結(jié)構(gòu)的超導納米線30的每個折彎處均為直角或U形 拐角。
[0067] 作為示例，所述襯底10包括硅襯底、MgO襯底或藍寶石襯底，所述襯底的厚度為 300?500微米。在本實施例中，所述襯底為硅襯底，其厚度為400微米。當然，其他種類的 襯底或厚度也可能適用于本發(fā)明，因此，并不限定于此處所列舉的幾種示例。
[0068] 作為示例，所述光學腔體結(jié)構(gòu)60的材料為二氧化硅或一氧化硅，所述上抗反射層 50、下抗反射層40的材料為二氧化硅或一氧化硅，所述超導納米線30的材料為NbN、Nb、 TaN、NbTiN或WSi，所述反射鏡70的材料為Ag、Au或A1。在本實施例中，所述光學腔體結(jié) 構(gòu)60的材料為一氧化娃，所述上抗反射層50、下抗反射層40的材料為二氧化娃，所述超導 納米線30的材料為NbN，所述反射鏡70的材料為Ag。
[0069] 綜上所述，本發(fā)明提供一種基于超導納米線的高偏振比單光子探測器，包括：襯底 10 ;抗反射層20,結(jié)合于所述襯底10表面；超導納米線30,呈周期性蜿蜒結(jié)構(gòu)結(jié)合于所述 抗反射層20表面，所述超導納米線30的寬度為不大于75納米，厚度為不小于7納米，占 空比為不大于40%。本發(fā)明通過調(diào)整單光子探測器的超導納米線30的寬度、厚度以及占 空比，實現(xiàn)了單光子探測器較大的偏振比，相比于傳統(tǒng)的偏振探測器件具有體積小、結(jié)構(gòu)簡 單、暗計數(shù)低等優(yōu)點，可以提高器件的集成度，并降低成本。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技 術(shù)中的種種缺點而具高度產(chǎn)業(yè)利用價值。
[0070] 上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟 悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因 此，舉凡所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完 成的一切等效修飾或改變，仍應由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于超導納米線的高偏振比單光子探測器，其特征在于，包括： 襯底； 抗反射層，結(jié)合于所述襯底表面； 超導納米線，呈周期性蜿蜒結(jié)構(gòu)結(jié)合于所述抗反射層表面，所述超導納米線的寬度為 不大于75納米，厚度為不小于7納米，占空比為不大于40%。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超導納米線的高偏振比單光子探測器，其特征在于：所 述呈超導納米線的寬度為不大于75納米，厚度為不小于7納米，占空比為不大于40%。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超導納米線的高偏振比單光子探測器，其特征在于：所 述單光子探測器的偏振比隨所述超導納米線的寬度增加而降低，隨厚度增加而增大。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超導納米線的高偏振比單光子探測器，其特征在于：所 述呈周期性蜿蜒結(jié)構(gòu)的超導納米線的每個折彎處均為直角或U形拐角。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超導納米線的高偏振比單光子探測器，其特征在于：所 述襯底包括硅襯底、MgO襯底或藍寶石襯底，所述抗反射層的材料為二氧化硅，所述超導納 米線的材料為NbN、Nb、TaN、NbTiN或WSi。
6. -種基于超導納米線的高偏振比單光子探測器，其特征在于：包括： 襯底，所述襯底的上下表面分別結(jié)合有上抗反射層及下抗反射層； 光學腔體結(jié)構(gòu)，結(jié)合于所述上抗反射層表面； 反射鏡，結(jié)合于所述光學腔體結(jié)構(gòu)表面； 超導納米線，呈周期性蜿蜒結(jié)構(gòu)結(jié)合于所述上抗反射層與光學腔體結(jié)構(gòu)之間，所述超 導納米線的寬度為不大于75納米，厚度為不小于7納米，占空比為不大于40%。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于超導納米線的高偏振比單光子探測器，其特征在于：所 述單光子探測器的偏振比隨所述超導納米線的寬度增加而降低，隨厚度增加而增大。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于超導納米線的高偏振比單光子探測器，其特征在于：所 述呈超導納米線的寬度為不大于75納米，厚度為不小于7納米，占空比為不大于40%。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于超導納米線的高偏振比單光子探測器，其特征在于：所 述呈周期性蜿蜒結(jié)構(gòu)的超導納米線的每個折彎處均為直角或U形拐角。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于超導納米線的高偏振比單光子探測器，其特征在于： 所述襯底為硅襯底、MgO襯底、藍寶石襯底，所述光學腔體結(jié)構(gòu)的材料為二氧化硅或一氧化 硅，所述上抗反射層、下抗反射層的材料為二氧化硅或一氧化硅，所述超導納米線的材料為 NbN、Nb、TaN、NbTiN或WSi，所述反射鏡的材料為Ag、Au或A1。
【文檔編號】G01J1/42GK104091884SQ201410334719
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月15日
【發(fā)明者】尤立星, 李 浩, 郭琦, 張偉君, 張露, 王鎮(zhèn) 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所