一種超導(dǎo)分形納米線單光子探測(cè)器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及單光子探測(cè)器領(lǐng)域，尤其涉及一種超導(dǎo)分形納米線單光子探測(cè)器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]單光子探測(cè)器是可以探測(cè)單個(gè)光子的光電子器件，而光子是光最小的能量單元。作為量子光學(xué)探測(cè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)器件，單光子探測(cè)器出現(xiàn)在科學(xué)研究和應(yīng)用的許多領(lǐng)域，包括:光子計(jì)數(shù)通信、生物醫(yī)學(xué)成像或時(shí)間分辨光譜等。
[0003]超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器(SNSPD)是21世紀(jì)初新興的一種單光子探測(cè)器，相比于以往的光電倍增管(PMT)以及雪崩二極管探測(cè)器(APD)，它利用超導(dǎo)材料的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，通過(guò)電信號(hào)計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)光子計(jì)數(shù)。該種探測(cè)器具有探測(cè)速率高、效率高、計(jì)數(shù)率高、暗計(jì)數(shù)低、時(shí)域抖動(dòng)小的優(yōu)點(diǎn)。
[0004]然而目前SNSH)存在一個(gè)問(wèn)題:偏振敏感。迄今為止，對(duì)于單一偏振態(tài)的光子，SNSPD器件效率可達(dá)93%之高。但是對(duì)于兩個(gè)相互垂直的偏振態(tài)，回形納米線難以達(dá)到高效均衡吸收。很多研究組推出了各自的解決方案:
[0005]1、圓形納米線以及雙向組合納米線:
[0006]這兩種結(jié)構(gòu)平均了兩個(gè)偏振態(tài)的吸收，卻也降低了其中一個(gè)偏振態(tài)的吸收效率，本質(zhì)上沒(méi)有在提高效率的同時(shí)解決偏振敏感問(wèn)題。
[0007]2、三維雙層納米線結(jié)構(gòu):
[0008]采用非晶態(tài)硅化鎢(WSi)作為器件材料，雖然使兩個(gè)偏振態(tài)效率均達(dá)到80%，但三維雙層結(jié)構(gòu)對(duì)于多晶態(tài)氮化鈮(NbN)來(lái)說(shuō)將會(huì)具有很大挑戰(zhàn)。
[0009]因此，設(shè)計(jì)適用于各種超導(dǎo)材料、實(shí)現(xiàn)高效率偏振不敏感的SNSH)仍然是一個(gè)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明提供了一種超導(dǎo)分形納米線單光子探測(cè)器及其制備方法，本發(fā)明設(shè)計(jì)的該單光子探測(cè)器對(duì)偏振不敏感，適用于各種超導(dǎo)材料，詳見(jiàn)下文描述:
[0011]一種超導(dǎo)分形納米線單光子探測(cè)器，所述單光子探測(cè)器包括:襯底、納米線、納米天線、氫硅倍半環(huán)氧乙烷層以及銀反射層，
[0012]所述納米線以分形的形式排布，用于實(shí)現(xiàn)納米線對(duì)兩個(gè)偏振態(tài)光的吸收偏振不敏感；
[0013]在納米線的基礎(chǔ)上添加陣列式納米天線。
[0014]其中，所述納米線以分形的形式排布具體為:
[0015]所述納米線由最小結(jié)構(gòu)單元、次級(jí)結(jié)構(gòu)以及三級(jí)結(jié)構(gòu)組成；
[0016]其中，最小結(jié)構(gòu)單元由皮亞諾曲線構(gòu)成；
[0017]次級(jí)結(jié)構(gòu)由若干個(gè)最小結(jié)構(gòu)單元連接而成；三級(jí)結(jié)構(gòu)又由若干個(gè)次級(jí)結(jié)構(gòu)連接而成。
[0018]進(jìn)一步地，所述襯底為:Si02襯底、Si襯底、藍(lán)寶石襯底、MgO襯底或SOI襯底。
[0019]進(jìn)一步地，所述納米線的材料優(yōu)選為氮化銀超導(dǎo)材料；所述陣列式納米天線優(yōu)選為二維陣列式納米天線。
[0020]實(shí)際應(yīng)用時(shí)，所述納米線需經(jīng)過(guò)蒸鍍、電子束曝光以及反應(yīng)離子束刻蝕加工的步驟。
[0021]一種超導(dǎo)分形納米線單光子探測(cè)器的制備方法，所述制備方法包括以下步驟:
[0022]用磁控濺射的方式在襯底上濺射一層超導(dǎo)材料；
[0023]利用光刻與電子束蒸鍍相結(jié)合的方式制備電極；
[0024]用電子束曝光和反應(yīng)離子束刻蝕相配合的方式制備分形納米線；
[0025]利用電子束曝光與電子束蒸鍍相結(jié)合的方式制備納米天線。
[0026]具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，所述制備方法還包括:覆蓋氫硅倍半環(huán)氧乙烷層以及銀反射層。
[0027]其中，所述納米天線與刻蝕后的納米線采用套刻設(shè)計(jì)。
[0028]進(jìn)一步地，所述制備方法還包括:在磁控濺射前，采用02對(duì)腔室進(jìn)行清洗。
[0029]所述超導(dǎo)材料優(yōu)選為氮化鈮材料。
[0030]本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是:本發(fā)明對(duì)納米線進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，采用了納米線對(duì)光吸收偏振敏感度低的結(jié)構(gòu)，再通過(guò)改變納米天線的排布方式達(dá)到在低偏振敏感度基礎(chǔ)上的高效吸收。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本發(fā)明可以大大減小超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器的偏振敏感度，使得偏振敏感度小于0.02，兩個(gè)正交偏振態(tài)吸收效率均達(dá)到80%，寬譜吸收效率高于70%，滿足了實(shí)際應(yīng)用中的多種需要，且適用于各種超導(dǎo)材料。
【附圖說(shuō)明】
[0031]圖1為超導(dǎo)分形納米線單光子探測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]其中，(a)為皮亞諾結(jié)構(gòu)的最小結(jié)構(gòu)單元的俯視圖；(b)為次級(jí)結(jié)構(gòu)的俯視圖，由9個(gè)最小結(jié)構(gòu)單元連接而成；(c)為三級(jí)結(jié)構(gòu)的俯視圖；(d)為圖(b)沿黑色實(shí)線的截面圖。
[0033]圖2為一種超導(dǎo)分形納米線單光子探測(cè)器的制備方法的示意圖；
[0034]其中，(a)為襯底；(b)為濺射過(guò)程；(c)為蒸鍍電極；⑷為利用電子束曝光以及反應(yīng)離子束刻蝕加工的分形納米線，右側(cè)引出其俯視圖；(e)為利用套刻電子束曝光以及蒸鍍相結(jié)合的技術(shù)在納米線空隙處蒸鍍天線陣列。
[0035]圖3為一種超導(dǎo)分形納米線單光子探測(cè)器的制備方法的流程圖；
[0036]圖4為一種超導(dǎo)分形納米線單光子探測(cè)器的制備方法的另一流程圖；
[0037]圖5為反應(yīng)離子束刻蝕后的納米線圖形；
[0038]圖6為納米線吸收效率與光腔腔長(zhǎng)和波長(zhǎng)的關(guān)系示意圖。
[0039]其中，(a)為在1550nm波長(zhǎng)下，納米線吸收效率與光腔腔長(zhǎng)L。的關(guān)系示意圖；(b)為在240nm光腔腔長(zhǎng)下的寬譜響應(yīng)圖。
[0040]附圖中，各部件所代表的列表如下:
[0041 ] 1:襯底；2:納米線；
[0042]3:納米天線；4:氫硅倍半環(huán)氧乙烷層(HSQ)
[0043]5:銀反射層。
【具體實(shí)施方式】
[0044]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0045]實(shí)施例1
[0046]—種超導(dǎo)分形納米線單光子探測(cè)器，該超導(dǎo)分形納米線單光子探測(cè)器的總體技術(shù)方案遵循如下思想:先設(shè)計(jì)一種降低納米線對(duì)光吸收偏振敏感度低的結(jié)構(gòu)，再通過(guò)改變納米天線的排布方式達(dá)到低偏振敏感度基礎(chǔ)上的高效吸收。
[0047]參見(jiàn)圖1 (d)，該超導(dǎo)分形納米線單光子探測(cè)器包括:襯底1、納米線2、納米天線3、氫硅倍半環(huán)氧乙烷層4 (HSQ)以及銀反射層5，納米線2以分形的形式排布，以此保證納米線2對(duì)兩個(gè)偏振態(tài)光的吸收偏振不敏感。在納米線2的基礎(chǔ)上添加二維陣列式納米天線3，增加光吸收效率。
[0048]本發(fā)明實(shí)施例中的納米線2由最小結(jié)構(gòu)單元、次級(jí)結(jié)構(gòu)以及三級(jí)結(jié)構(gòu)組成。其中，最小結(jié)構(gòu)單元由Peano(皮亞諾)曲線構(gòu)成；次級(jí)結(jié)構(gòu)由若干個(gè)最小結(jié)構(gòu)單元連接而成；三級(jí)結(jié)構(gòu)又由若干個(gè)次級(jí)結(jié)構(gòu)連接而成。
[0049]其中，最小結(jié)構(gòu)單元的數(shù)量與次級(jí)結(jié)構(gòu)的數(shù)量相一致，本發(fā)明實(shí)施例對(duì)此不做限制。且優(yōu)選最小結(jié)構(gòu)單元、次級(jí)結(jié)構(gòu)與三級(jí)結(jié)構(gòu)的連接方式相同。
[0050]綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例設(shè)計(jì)的單光子探測(cè)器對(duì)偏振不敏感，適用于各種超導(dǎo)材料。
[0051]實(shí)施例2
[0052]下面結(jié)合具體的附圖1 (a)、圖1 (b)與圖1 (c)、以及相應(yīng)的數(shù)學(xué)公式對(duì)實(shí)施例1中的超導(dǎo)分形納米線單光子探測(cè)器的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，進(jìn)行詳細(xì)的描述，詳見(jiàn)下文:
[0053]圖1 (a)所示為分形的納米線2的結(jié)構(gòu)(Peano結(jié)構(gòu))。這種分型的納米線2的設(shè)計(jì)適用于多晶材料、單晶材料或非晶材料。圖1(b)與圖1(c)中的虛線框?yàn)闃?gòu)成次級(jí)結(jié)構(gòu)與三級(jí)結(jié)構(gòu)的最小結(jié)構(gòu)單元，黑色虛線為該最小結(jié)構(gòu)單元的連接方向。圖1(d)為圖1(b)中黑色實(shí)線所截的切面圖。
[0054]參見(jiàn)圖1 (d)，光由下向上入射，L。為光腔腔長(zhǎng)；TM(橫磁波)的電場(chǎng)振動(dòng)方向垂直直面；TE(橫電波)的電場(chǎng)振動(dòng)方向平行于紙面；k為波矢方向；Η為磁場(chǎng)；E為電場(chǎng)。為了易于觀看，圖1(a)、圖1(b