专利名称：一种基于超导薄膜材料的单光子探测器及其制造方法
技术领域：
本发明提出了一种基于超导超薄薄膜材料的单光子探测器，涉及单光子检测 和极弱光探测等邻域，适用于单光子探测、极弱光探测，所探测的光波长包括了 400nm_2000nm。
背景技术：
众所周知，光具有波动性和粒子性两个特征。当光弱到一定程度时，其粒子 性就表现得极为明显。基于这一现象和光电效应理论，人们研究通过记录光子数 的光子计数器用于探测弱光，如光电倍增管和雪崩二极管等。由于技术需求给光 子计数提出了更高的要求——单光子探测，而目前的这些产品面临着巨大的挑 战。以雪崩二极管为例，雪崩二极管按照工作的波长分为可见光波段和红外波段 两类。可见光波段主要采用Si，红外波段常采用复合半导体材料，如InGaAs/InP 等。Si雪崩二极管在可见光波段具有很高的量子效率，可达7(m(650nm)，但是 该类二极管在红外波段量子效率极低。为了克服这一难题，人们釆用了对红外光 较敏感的复合半导体材料制备雪崩二极管，通过这一改进，在红外波段的量子效 率达到了 10%(1550nm),尽管这一效率较以往有了很大的进步，但仍然不高。与 此同时，这些光子计探测器的重复速率普遍较低，在完全理想状态下也只有 10MHz，这显然不能满足量子通讯等领域的需求。
随着薄膜工艺和微加工技术的发展，以及单光子探测技术的需求，.人们发展 出了超导单光子检测(SSPD)技术，该技术具有灵敏度高，重复速率快，暗计数 低等优点。在超导材料中，当处于临界温度以下，并且通过的电流低于某一数值 时(如图l)，超导体仍处于超导态。当超导处于某一低于临界温度时，如果通过 超导体的电流超过临界电流，超导体迅速转变到正常态。这个转变点电流密度就 称为该超导体的临界电流密度。将超薄超导薄膜微加工成亚微米宽的纳米条，当 光子射入纳米条上时，在纳米条上会形成一个正常态的区域，这个区域通常被称 为hotspot。如果给这个纳米条通上略低于临界电流的电流，在没有光子入射时， 纳米条处于超导态，当有光子入射时，由于纳米条中的hotspot阻断了该区域电 流流过，电流集中到纳米条的其他区域，在这些区域流过的电流密度超过了临界 电流密度，因此纳米条迅速完全转变为正常态，最终导致电流在纳米带的电阻迅
速增加。
发明内容
发明目的本发明的目的是提供一种高效率、高灵敏度、高重复速度和低暗 计数的单光子探测器。
技术方案本发明所述的一种基于超导薄膜材料的单光子探测器，其特征是 该探测器包括 一个用于耦合、传输和调节入射的光信号的光路系统，该光路系 统由光源、光功率衰减器、可调光功率衰减器、纤耦合器和光功率计组成。
一个低温环境下用于检测入射的光子信号的超导器件。
一个用于电信号的读出及处理分析的电学系统，该电学系统由偏置电源、偏 置树、放大器、光子计数器组成，电源接到偏置树的直流段，在电源端直接并联 一个电阻，偏置树的射频端连接到放大器上，通过放大器放大的信号用高速示波 器显示波形，用数字计数器显示光子重复速率，偏置树的另外一端与器件的共面 波导连接。
所述的超导器件为超导氮化铌检测器件，工作的环境温度为2K-4.2K。 其中电路连接的方式是，电源通过同轴电缆接到偏置树的直流段，偏置树的
射频端通过同轴电缆连接到放大器上，偏置树的另外一端通过半钢同轴电缆与器
件的共面波导连接。
所述偏置树的带宽为10-4200mHz，放大器为宽带低噪声放大器。 所述的单光子探侧器所用超导器件的制造方法，包括以下步骤
(1) 超薄超导薄膜生长采用高质量超导氮化铌薄膜；
(2) 超导器件的图形设计和微加工首先采用首尾相接的纳米线设计图形； 然后在薄膜上旋涂电子束曝光胶，再用电子束曝光机曝出设计的图形窗口，最后 通过RIE刻蚀得到所设计的纳米线结构；
(3) 超导器件电极与光路对准设计在纳米线结构上设计一个电极用于导 出高频信号和便于与同轴电缆相连，光通过光纤传输，并通过光纤PC接头将光 纤出光口对准器件活性区域。
其中超导氮化铌薄膜的超导转变温度Tc为10-llk，薄膜厚度3-5nm;纳米线 的宽度为100-300 nm,纳米线成婉蜓结构，纳米条覆盖的整体呈正方形；电极 采用共面波导设计。
有益效果本发明利用超薄超导薄膜和微加工技术，设计并制备了一种单光
子探测器件，提出了一种利用该器件检测单光子/极弱光的探测器，制备的NbN 薄膜厚度为3.5nm - 5.0 nm，采用晶向为(100)的氧化镁(Mg0)衬底，超导转 变温度约10-11 K。设计并制备的纳米条宽度约100 nm - 300 nm,纳米条为等 间隔周期排列。器件常温电阻约100 k-3000 k，在液氦温度4. 2k时的超导临界 电流密度为5. OX 106A/cm2 。通过50dB信号放大，器件的光子响应脉冲高度为 90mV，脉冲宽度 10ns，其理论对应的重复速率达100MHz。以激光二极管产生 的波长为1550nm的连续激光为例，测试表明，本探测器具有光响应速度快，灵 敏度高，暗计数低等优点。
图1超导体内临界电流密度和温度的关系；
图2超导单光子探测器单光子检测系统结构示意图3制备的单光子探测器芯片表面SEM照片；
图4器件I-V特性与光响应过程示意图5实验测得的单光子器件的光响应脉冲图6实验测得的光子计数与入射光功率的函数关系图。
具体实施例方式
本发明利用超薄薄膜技术，在单晶MgO(100)基片上成功生长了高质量超薄 NbN薄膜，基于这种NbN薄膜设计并制备了一种单光子探测器，可用于可见光到 近红外光波段单光子和极弱光的探测。本发明包括单光子探测器系统和超导探测 器件两个方面，探测器系统包括电学系统、光路系统和器件与低温系统，具体实 施方式如下。
电学系统电子学系统包括直流源、信号传输、信号放大和检测等。电路示 意图如图2，图中电源可以是恒流源，也可以是恒压源。电源通过同轴电缆接到 偏置树的直流段，这里所釆用的偏置树的带宽为10-1000mHz。偏置树的射频端 通过同轴电缆连接到放大器上，这里采用的放大器为宽带低噪声放大器，电压放 大倍数约400倍。通过放大器放大的信号可用高速示波器观察波形，也可用数字 计数器分析光子重复速率。偏置树的另外一端通过半钢同轴电缆与器件的共面波 导连接。
在工作时，器件电流偏置在接近于临界电流的地方，如0.9Ic。在没有光子 入射时，通过器件的电流低于临界电流，器件处于超导态，电阻可忽略，而通过50欧姆的并联电阻的电流可忽略。当光子入射到纳米条上，器件形成hotspot， 部分转变为正常态，电阻迅速增加，导致原本通过器件流过的电流部分从并联电 阻流过。这样通过器件的电流又低于临界电流，转变为正常态的部分又迅速转变 为超导态，回到初始状态。这一过程对应着器件I-V曲线上的M点和N点。电路 中的偏置树将这一过程电压的交流分量通过其RF端输出到放大器。
通过放大器放大后的信号可以通过高速示波器观察。当有光子入射到器件上 时可以观测到如图5所示的脉冲峰，这正是本发明的器件对光子的响应，数字计 数器可以记录下这些脉冲数量，因此可以通过脉冲数来表征入射光子数，如图6 所示。
光路系统和低温系统光路用于探测光的控制和传输，采用单模光纤将要测 量的光引入光纤活性区域。实验中可以通过控制入射光的衰减来模拟单光子源， 如图2所示，激光二极管产生约lmW的连续激光，波长为1550nra，在该系统中， 可光功率衰减器可以将激光器产生的光衰减70dB-100dB。光路的链接和光功率 的衰减采用标准光通讯无源器件。低温系统采用液氦杜瓦，该低温系统提供4. 2k 的低温氛围，用于保证器件工作时温度稳定在4.2k。
器件结构与工艺探测器件包含活性区域、电极和光纤支架三部分。活性 区域为蜿蜒结构的超导NbN等周期间隔的纳米超薄膜线条，区域整体呈正方形结 构，制备于MgO(100)基片上。电极为300nm厚度的超导NbN薄膜形成的共面波导 结构，共面波导结构通过紫外光刻和反应离子刻蚀等工艺技术加工，与器件活性 区域的NbN纳米薄膜条的两端连接。光纤支架集成在器件底座上，用于固定光纤 和便于将光纤传出的光信号对准活性区域。
权利要求
1、一种基于超导薄膜材料的单光子探测器，其特征是该探测器包括一个用于耦合、传输和调节入射的光信号的光路系统，由光源、光功率衰减器、可调光功率衰减器、光纤耦合器和光功率计组成；一个低温环境下用于检测入射的光子信号的超导器件；一个用于电信号的读出及处理分析的电学系统，由偏置电源、偏置树、放大器、光子计数器组成，电源接到偏置树的直流段，在电源端直接并联一个电阻，偏置树的射频端连接到放大器上，通过放大器放大的信号用高速示波器显示波形，用数字计数器显示光子重复速率，偏置树的另外一端与器件的共面波导连接。
2、 根据权利要求1所述的基于超导薄膜材料的单光子探测器，其特征是器 件工作的环境温度为2K-4. 2K。
3、 根据权利要求1或2所述的基于超导薄膜材料的单光子探测器，其特征 是器件为超导氮化铌检测器件。
4、 根据权利要求1所述的基于超导薄膜材料的单光子探测器，其特征是电 源通过同轴电缆接到偏置树的直流段，偏置树的射频端通过同轴电缆连接到放大 器上，偏置树的另外一端^过半钢同轴电l^，器件的共面波导连接。
5、 根据权利i求丄"4-所述的基于超i薄膜材料的单光子探测器，其特征是偏置树的带宽为10-4200raHz。
6、 根据权利要求1或4所述的基于超导薄膜材料的单光子探测器，其特征 是放大器为宽带低噪声放大器。
7、 一种基于超导薄膜材料的单光子探测器所用超导器件的制造方法，其特 征是该方法包括以下步骤(1) 超薄超导薄膜生长采用高质量超导氮化铌薄膜；(2) 超导器件的图形设计和微加工首先采用首尾相接的纳米线设计图形； 然后在薄膜上旋涂电子束曝光胶，再用电子束曝光机曝出设计的图形窗口，最后 通过RIE刻蚀得到所设计的纳米线结构；(3) 超导器件电极与光路对准设计在纳米线结构上设计一个电极用于导 出高频信号和便于与同轴电缆相连，光通过光纤传输，并通过光纤PC接头将光 纤出光口对准器件活性区域。
8、 根据权利要求7所述的基于超导薄膜材料的单光子探测器所用超导器件 的制造方法，其特征是高质量超导氮化铌薄膜的超导转变温度Tc为10-llk，薄膜厚度3-5nm。
9、根据权利要求7所述的基于超导薄膜材料的单光子探测器所用超导器件 的制造方法，其特征是纳米线的宽度为100-300 nm，纳米线成婉蜒结构，纳米 条覆盖的整体呈正方形。
10、根据权利要求7所述的基于超导薄膜材料的单光子探测器所用超导器件 的制造方法，其特征是电极采用共面波导设计。
全文摘要
本发明公开了一种基于超导薄膜材料的单光子探测器，包括一个用于耦合、传输和调节入射的光信号的光路系统，一个低温环境下用于检测入射的光子信号的超导器件和一个用于电信号的读出及处理分析的电学系统。本发明还公开了一种单光子探测器所用超导器件的制造方法，该方法包括以下步骤超薄超导薄膜生长超导器件的图形设计和微加工。本发明所述的单光子探测器具有灵敏度高，暗计数低，重复速率快等优点，在众多邻域具有重要的应用前景。
文档编号G01J11/00GK101339077SQ20081010870
公开日2009年1月7日 申请日期2008年5月14日 优先权日2008年5月14日
发明者吴培亨, 琳 康, 张蜡宝, 健 陈 申请人:南京大学