本發(fā)明屬于光探測技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)計一種超導(dǎo)納米線單光子探測器，特別是涉及一種微納光纖表面制備的超導(dǎo)納米線單光子探測器。

背景技術(shù)：

超導(dǎo)納米線單光子探測器(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。SNSPD主要采用低溫超導(dǎo)超薄薄膜材料，比如NbN、Nb、NbTiN、WSi等，超導(dǎo)納米線直接形成于硅或者其它材料襯底(比如MgO、藍寶石)表面。典型厚度約為5nm～10nm，器件通常采用100nm左右寬度的曲折納米線結(jié)構(gòu)。

SNSPD工作時置于低溫環(huán)境中(<4K)，器件處于超導(dǎo)態(tài)，并加以一定的偏置電流I_b，I_b略小于器件跳變電流I_sw。當(dāng)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由襯底弛豫，再重新配對成超導(dǎo)態(tài)的庫珀對。由于超導(dǎo)材料的熱弛豫時間很短，因此當(dāng)SNSPD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。

系統(tǒng)探測效率(System Detection Efficiency,SDE)為SNSPD的主要參數(shù)之一，定義為探測器產(chǎn)生的光響應(yīng)脈沖數(shù)與入射光子數(shù)的比值，它與系統(tǒng)光耦合效率，超導(dǎo)納米線的光吸收率以及納米線的本征效率有關(guān)。對量子計算、量子密鑰分發(fā)、星地通信等應(yīng)用而言，SDE是SNSPD的一個重要性能指標(biāo)，SNSPD需要與光學(xué)諧振腔、光波導(dǎo)等光學(xué)結(jié)構(gòu)集成來提高納米線的光吸收率，從而提高SDE。現(xiàn)有的光學(xué)諧振腔需要與光纖端面進行耦合，為了保證光纖中的光全部被納米線吸收，納米線的有效面積必須大于光纖纖芯面積，這在很大程度上限制了SNSPD的速率；另一方面，光學(xué)諧振腔僅能針對某一固定波長光提高吸收率，給寬光譜響應(yīng)SNSPD的研發(fā)帶來了阻礙。光波導(dǎo)作為一種新型的光耦合結(jié)構(gòu)，使納米線可以在較短的長度內(nèi)得到較高的光吸收率，然而，光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與常規(guī)光纖的耦合技術(shù)問題限制了這種結(jié)構(gòu)獲得很好的系統(tǒng)探測效率。

微納光纖自2003年童利民等提出以來，由于其具有較強的倏逝場、強限制光場以及極輕質(zhì)量等特點，成為一個新興的光纖光學(xué)分支。微納光纖是指纖芯直徑達到兩、三微米至數(shù)百納米尺度的光纖結(jié)構(gòu)，由標(biāo)準光纖拉制而成，可以實現(xiàn)從標(biāo)準光纖到微納尺度結(jié)構(gòu)的高效光傳輸。微納光纖在光纖光學(xué)、近場光學(xué)、非線性光學(xué)和量子光學(xué)等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域和微納尺度的光傳輸、耦合、調(diào)制、諧振、放大和傳感器等器件方面都具有潛在的應(yīng)用價值，吸引了越來越多研究者的注意。然而，目前微納光纖還沒有被應(yīng)用于超導(dǎo)納米線單光子探測器。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明提供一種微納光纖表面制備的超導(dǎo)納米線單光子探測器，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中的超導(dǎo)納米線單光子探測器存在的探測效率較低的問題。

為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種微納光纖表面制備的超導(dǎo)納米線單光子探測器，所述微納光纖表面制備的超導(dǎo)納米線單光子探測器包括：微納光纖及超導(dǎo)納米線；其中，

所述超導(dǎo)納米線位于所述微納光纖表面，且所述超導(dǎo)納米線的長度方向與所述微納光纖的長度方向一致。

作為本發(fā)明的微納光纖表面制備的超導(dǎo)納米線單光子探測器的一種優(yōu)選方案，所述微納光纖由單模光纖拉制而成，所述微納光纖的材料為SiO₂。

作為本發(fā)明的微納光纖表面制備的超導(dǎo)納米線單光子探測器的一種優(yōu)選方案，所述微納光纖的形狀為圓柱形或圓錐形，所述微納光纖端面的直徑為0.1微米～3微米。

作為本發(fā)明的微納光纖表面制備的超導(dǎo)納米線單光子探測器的一種優(yōu)選方案，所述超導(dǎo)納米線為直線或折線。

作為本發(fā)明的微納光纖表面制備的超導(dǎo)納米線單光子探測器的一種優(yōu)選方案，所述超導(dǎo)納米線的材料包括：NbN、Nb、TaN、MoSi、MoGe、NbTiN或WSi。

作為本發(fā)明的微納光纖表面制備的超導(dǎo)納米線單光子探測器的一種優(yōu)選方案，所述超導(dǎo)納米線的長度為10微米～500微米，寬度為20納米～300納米，厚度為3納米～20納米。

作為本發(fā)明的微納光纖表面制備的超導(dǎo)納米線單光子探測器的一種優(yōu)選方案，所述超導(dǎo)納米線的根數(shù)為1根～20根。

作為本發(fā)明的微納光纖表面制備的超導(dǎo)納米線單光子探測器的一種優(yōu)選方案，所述超導(dǎo)納米線的根數(shù)為2根或多根時，兩個或多根所述超導(dǎo)納米線平行間隔分布于所述微納光纖的表面，且依次串接。

作為本發(fā)明的微納光纖表面制備的超導(dǎo)納米線單光子探測器的一種優(yōu)選方案，所述微納光纖表面制備的超導(dǎo)納米線單光子探測器還包括襯底，所述襯底的折射率小于所述微納光纖的折射率；表面形成有所述超導(dǎo)納米線的所述微納光纖位于所述襯底的表面。

作為本發(fā)明的微納光纖表面制備的超導(dǎo)納米線單光子探測器的一種優(yōu)選方案，所述襯底的材料為MgF₂。

如上所述，本發(fā)明的微納光纖表面制備的超導(dǎo)納米線單光子探測器，具有以下有益效果：將超導(dǎo)納米線形成于所述微納光纖表面，利用微納光纖在微納尺度的光傳輸、耦合特性，可以實現(xiàn)微納光纖與超導(dǎo)納米線的直接高效光耦合，提高了超導(dǎo)納米線單光子探測器的光耦合效率；超導(dǎo)納米線的有效面積與傳統(tǒng)器件相比不受光纖端面尺寸限制，可以減小超導(dǎo)納米線的長度，從而有效降低超導(dǎo)納米線單光子探測器的動態(tài)電感，進而提高超導(dǎo)納米線單光子探測器的速率；超導(dǎo)納米線直接形成于所述微納光纖的表面，提高了超導(dǎo)納米線單光子探測器長期工作的穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1顯示為本發(fā)明實施例一中提供的微納光纖表面制備的超導(dǎo)納米線單光子探測器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2顯示為圖1的右視圖。

圖3顯示為本發(fā)明實施例二中聽的微納光纖表面制備的超導(dǎo)納米線單光子探測器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4顯示為圖3的右視圖。

元件標(biāo)號說明

1 微納光纖

2 超導(dǎo)納米線

具體實施方式

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(yīng)用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。

請參閱圖1至圖2。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，雖圖示中僅顯示與本發(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(fù)雜。

實施例一

請參閱圖1及圖2，本發(fā)明提供一種微納光纖表面制備的超導(dǎo)納米線單光子探測器，所述微納光纖表面制備的超導(dǎo)納米線單光子探測器包括：微納光纖1及超導(dǎo)納米線2；其中，所述超導(dǎo)納米線2位于所述微納光纖1表面，且所述超導(dǎo)納米線2的長度方向與所述微納光纖1的長度方向一致。

作為示例，所述微納光纖1由標(biāo)準單模光纖拉制而成，所述微納光纖1的材料為SiO₂。

作為示例，所述微納光纖1的形狀為圓柱形圓錐形，所述微納光纖1端面的直徑為1微米，即所述微納光纖1的橫截面的直徑為1微米；所述微納光纖1的光透過率大于90％。

作為示例，所述超導(dǎo)納米線2的材料可以包括：NbN、Nb、TaN、MoSi、MoGe、NbTiN或WSi；優(yōu)選地，本實施例中，所述超導(dǎo)納米線2的材為NbN。

作為示例，所述超導(dǎo)納米線2的長度為10微米～500微米，所述超導(dǎo)納米線2的寬度為20納米～300納米，所述超導(dǎo)納米線2的厚度為3納米～20納米；優(yōu)選地，本實施例中，所述超導(dǎo)納米線2的長度為50微米，所述超導(dǎo)納米線2的寬度為100納米，所述超導(dǎo)納米線2的厚度為6納米。

作為示例，所述超導(dǎo)納米線2的根數(shù)為1根～20根；優(yōu)選地，本實施例中，所述超導(dǎo)納米線2的根數(shù)為3根，如圖1及圖2所示。所述超導(dǎo)納米線2平行間隔分布于所述微納光纖1的表面，且所述超導(dǎo)納米線2依次串接，呈曲折串聯(lián)結(jié)構(gòu)。

作為示例，所述超導(dǎo)納米線2可以為直線，也可以為折線，圖1及圖2中以所述超導(dǎo)納米線2為直線作為示例。

作為示例，所述超導(dǎo)納米線2通過微納加工工藝制備而成；優(yōu)選地，本實施例中，首先利用磁控濺射工藝在所述微納光纖1的表面生長一層NbN超導(dǎo)薄膜；然后利用聚焦離子束刻蝕工藝刻蝕所述NbN超導(dǎo)薄膜以形成所述超導(dǎo)納米線2。傳統(tǒng)工藝中，將光纖與超導(dǎo)納米線的相對位置需要膠或螺絲進行固定，在長時間工作以及多次制冷機的冷熱循環(huán)過程中，一旦膠或螺絲部分發(fā)生任何問題，都有可能導(dǎo)致光纖的出射偏離超導(dǎo)納米線的有效區(qū)，使得探測器的性能嚴重下降，而本發(fā)明采用磁控濺射工藝與刻蝕工藝相結(jié)合將所述超導(dǎo)納米線2直接形成于所述微納光纖1的表面，保證了所述超導(dǎo)納米線單光子探測器長時間工作的穩(wěn)定性。

作為示例，所述微納光纖表面制備的超導(dǎo)納米線單光子探測器還包括襯底(未示出)，所述襯底的折射率小于所述微納光纖1的折射率，即本實施例中，所述襯底的材料的折射率小于SiO₂的折射率；表面形成有所述超導(dǎo)納米線2的所述微納光纖1位于所述襯底的表面，且所述微納光纖1的表面與所述襯底的表面相接觸。具體的，表面形成有所述超導(dǎo)納米線2的所述微納光纖1可以通過粘附層粘貼于所述襯底表面，但并不依次為限。

作為示例，所述襯底的材料可以為但不僅限于MgF₂。

本發(fā)明的所述超導(dǎo)納米線單光子探測器的光學(xué)吸收結(jié)構(gòu)主要為所述微納光纖1，光在所述微納光纖1中傳輸?shù)倪^程中被所述微納光纖1表面的所述超導(dǎo)納米線2吸收，從而實現(xiàn)單光子探測。由于所述微納光纖1具有強倏逝場的特點，位于其表面的所述超導(dǎo)納米線2可以在較短長度內(nèi)吸收大部分光，保證了所述超導(dǎo)納米線單光子探測器的高吸收率。較短的納米線長度意味著較小的動態(tài)電感，所述超導(dǎo)納米線單光子探測器的最大計數(shù)率與動態(tài)電感直接相關(guān)，動態(tài)電感越小，最大計數(shù)率越大，從而實現(xiàn)使得所述超導(dǎo)納米線單光子探測器具有高速高效的特點。

實施例二

請參閱圖3及圖4，本發(fā)明還提供一種微納光纖表面制備的超導(dǎo)納米線單光子探測器，所述微納光纖表面制備的超導(dǎo)納米線單光子探測器與實施例一中所述的微納光纖表面制備的超導(dǎo)納米線單光子探測器的結(jié)構(gòu)基本相同，二者的區(qū)別在于：實施例一中的所述微納光纖1的直徑為1微米，所述超導(dǎo)納米線2的數(shù)量為3根，所述超導(dǎo)納米線2的制備方法為使用磁控濺射工藝形成NbN超導(dǎo)薄膜后還需要刻蝕的過程；而本實施例中，所述微納光纖1的直徑為0.1微米，所述超導(dǎo)納米線的根數(shù)為1根，所述超導(dǎo)納米線2的制備方法為使用磁控濺射工藝在所述微納光纖1的表面生長NbN超導(dǎo)薄膜，所述NbN超導(dǎo)薄膜的寬度即為100納米，形成的所述NbN超導(dǎo)薄膜直接作為所述超導(dǎo)納米線2使用。

綜上所述，本發(fā)明提供一種微納光纖表面制備的超導(dǎo)納米線單光子探測器，，所述微納光纖表面制備的超導(dǎo)納米線單光子探測器包括：微納光纖及超導(dǎo)納米線；其中，所述超導(dǎo)納米線位于所述微納光纖表面，且所述超導(dǎo)納米線的長度方向與所述微納光纖的長度方向一致。本發(fā)明將超導(dǎo)納米線形成于所述微納光纖表面，利用微納光纖在微納尺度的光傳輸、耦合特性，可以實現(xiàn)微納光纖與超導(dǎo)納米線的直接高效光耦合，提高了超導(dǎo)納米線單光子探測器的光耦合效率；超導(dǎo)納米線的有效面積與傳統(tǒng)器件相比不受光纖端面尺寸限制，可以減小超導(dǎo)納米線的長度，從而有效降低超導(dǎo)納米線單光子探測器的動態(tài)電感，進而提高超導(dǎo)納米線單光子探測器的速率；超導(dǎo)納米線直接形成于所述微納光纖的表面，提高了超導(dǎo)納米線單光子探測器長期工作的穩(wěn)定性。

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(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。