一种具有汇聚滤波功能的单光子偏振成像阵列的制作方法

本发明涉及单光子探测及偏振成像领域，具体是指一种具有汇聚滤波功能的单光子偏振成像阵列。

背景技术：

随着单光子探测技术的发展和其应用领域的不断拓展，对于高性能单光子探测技术的需求越来越大，不但对探测灵敏度的提出更高要求（低暗计数、高量子效率、短抖动时间等），单光子偏振态探测作为极限灵敏度光子偏振态测量技术, 在偏振成像、量子信息技术、生物医学和天文等领域具有极为重要的应用价值。然而，大多数传统的单光子探测器为强度探测,对于偏振并不敏感。为了实现偏振选择性探测，通常需要在光学探测器前额外加上一个偏振分束器或独立偏振起偏器探测，但该方法需要通过机械旋转，不能实时地获得入射光的偏振特性。为了方便实时偏振探测，可将偏振片集成在探测器像元的表面，使得单个光电探测器的像元只对一种偏振方向的响应最大，而对与之垂直方向的偏振响应最小。在4个探测器像元上设置4个方向的偏振片，通过数学计算获知入射光的偏振状态。这种方法增加了偏振状态的探测，能够反映出原先强度图像中所不具备的偏振信息，相当于增加了一个探测信号的维度，同时仍然能够保持原先焦平面探测器的实时快速直接成像的能力。但当前这种集成偏振片通常采用在光电探测器像元表面制作周期性的线条栅（简称线栅）所形成的一维透射光栅来实现。由于探测器像元尺寸的限制，偏振片的尺寸不能超过像元尺寸因而也受到限制，一维线栅偏振片的工作条件远远偏离理想偏振片的工作状态。导致电场垂直于光栅方向的入射光在探测器像元中引起光电响应，降低了集成偏振片的偏振选择度。

同时，对于单光子探测而言，光的收集效率及暗计数是两个极其重要的性能参数。对于超导纳米线单光子探测器而言，其通常都由一系列极窄的纳米线条组成，难以制作成大面积探测器，目前比较成熟的工艺只能做到10μm×10μm 左右，光接收面积非常有限，导致光收集效率很低；对于单光子雪崩探测器（SPAD）而言，单个的载流子就能引起雪崩击穿，形成宏观的电流，从而可以实现单光子探测。但其暗计数通常较大，为了降低暗计数可以减小光敏面尺寸，但这又会造成光接收面积减小，导致光收集效率降低。由此可见，耦合汇聚无论是对超导纳米线单光子探测器还是单光子雪崩探测器，都是极其重要的。此外，背景环境杂散光对单光子探测也会造成不利影响，如果能在汇聚耦合的同时有效过滤背景环境杂散光，那将进一步提升单光子探测器性能。

公开日为2013年6月19日，公开号为CN103165723A的中国发明专利文献，公开了通过环形汇聚光栅能够实现小面积探测器汇聚耦合作用，但没有偏振探测的功能；公开日为2014年4月30日，公开号为CN103762220A的中国发明专利文献，公开了能够实现红外波段偏振探测，但光栅面积与器件面积一样大，没有汇聚耦合、减小器件台面的功能。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种具有汇聚滤波功能的单光子偏振成像阵列，既有偏振探测功能，又有汇聚功能的光耦合结构，能够实现偏振探测同时提高超导纳米线单光子探测的响应率，减小APD探测器的暗计数，对于偏振单光子成像具有重要意义。

本发明的技术方案如下：

一种具有汇聚滤波功能的单光子偏振成像阵列，其特征在于：整体结构为二维周期性排列的偏振探测单元，其中每个偏振探侧单元包括单光子探测器组及四个具有不同偏振方向的汇聚耦合结构，四个汇聚耦合结构集成在单光子探测器组上，每两个相邻汇聚耦合结构的偏振方向相差45度。

本发明工作时，同时读取四个像元上的光响应信号，获得各个方向上的Stokes偏振分量，再通过数学计算来获得入射光的偏振状态。然后将四个像元获得的入射光不同偏振状态的信号合成为一个单一像元的信号，再通过这样四元一组周期性重复排列的二维列阵探测器直接输出成像，构成单光子偏振成像阵列。

所述单光子探测器阵列包括四个一一对应的单光子探测器和衬底，单光子探测器包括但不限于超导纳米线单光子探测阵列或单光子雪崩探测器，衬底的材质可以是但不限于如下材质中的一种：硅、蓝宝石片、磷化铟、氮化镓、砷化镓。

所述四个汇聚耦合结构均是相同结构，按入射光经过的先后顺序依次是：上层金属光栅层，透明介质汇聚层，金属阻挡层和下层金属反射出光层。所述透明介质汇聚层位于上层金属光栅层和下层金属反射出光层之间，所述金属阻挡层位于上层金属光栅层、透明介质汇聚层和下层金属反射出光层的两侧面。所述上层金属光栅层，透明介质汇聚层，金属阻挡层和下层金属反射出光层四个部分共同构成一个微腔结构，该微腔结构同时具有偏振、汇聚耦合及滤波的功能。

所述上层金属光栅层是周期为p、刻槽宽度为w、厚度为h1的一维周期排列的金属线条光栅，其材质包括但不限于金属材料金、银或者铝。其周期p、刻槽宽度w和厚度h1由理论计算得到的优化结果决定，优化计算的目标是使入射光波能够被压缩进入微腔中。针对通讯波段（1550 nm），理论计算给出以下金属光栅的尺寸参数设计范围：①金属光栅周期p条纹满足函数p=λ/n×N，其中n为微腔等效介质常数，N为耦合级数；②刻槽宽度w的数值为周期的五分之一到五分之四；③上层金属光栅层的厚度h1的值不小于金属光栅材料趋肤深度的两倍。这是因为共振耦合条件要求上层金属光栅层的上、下表面电磁场之间无相互作用，即要求厚度h1的值不小于2倍的趋肤深度。在近红外波段，理论给出的电磁波在金中的趋肤深度d~0.0048·λ^1/2，即厚度h1不小于以微米为单位的探测波长的平方根的0.0096倍，在银材料中趋肤深度d~0.0064·λ^1/2，即厚度h1不小于以微米为单位的探测波长的平方根的0.0128倍。上层金属光栅层具有偏振选择性功能，即对于特定探测波长，只有偏振沿着金属光栅方向的入射光能够耦合进入微腔中，电场垂直于金属光栅方向的入射光无法经过光栅进入微腔中。

所述透明介质汇聚层是指厚度为h2的对入射波长无吸收的透明介质，成分材料包括但不限于二氧化硅、氮化硅。厚度h2由理论计算得到的优化结果决定，优化计算的目标是使耦合进入耦合微腔中的电磁波所形成的横向驻波模式达到最强。按照等离激元微腔近场耦合要求，厚度h2必须小于所探测入射光的等效光波长的5倍（等效波长即真空中的光波长除以该层物质的折射率）。例如对于折射率为1.46的二氧化硅透明介质，厚度h2应不大于探测波长的3.4倍。

所述金属阻挡层在介质汇聚层的两端，其材质包括但不限于金属材料金、银或者铝；其功能在于限制微腔中的光从两边泄露。

所述下层金属反射出光层是指在厚度为h3的金属层中开孔保证汇聚光的出射，其材质包括但不限于金属材料金、银或者铝。厚度h3的值必须不小于金属材料趋肤深度的两倍。开孔位置以下层金属反射出光层中间左右各周期p/2处为开孔中心，开孔为与金属光栅层的刻槽宽度w一致的条形刻槽。

本发明的优点在于：

1）采用集成在像元上的汇聚耦合结构，能够取代传统的在像元上集成线栅耦合这一主要途径。传统像元上集成线栅的偏振成像，偏振片的尺寸不能超过像元尺寸因而受到限制，一维线栅偏振片的工作条件远远偏离理想偏振片的工作状态。导致电场垂直于光栅方向的入射光在探测器像元中引起光电响应，降低了集成偏振片的偏振选择度。而汇聚耦合结构的入射光接收面积远大于像元尺寸，接近于理想偏振片的工作状态，电场垂直于光栅方向的入射光很难通过下层金属反射出光层到达探测像元，汇聚耦合结构的偏振选择度较之传统线栅耦合大大增强。

2）汇聚耦合结构具有汇聚光功能，可以在不损失入射光能量的前提下将现有单光子雪崩探测器台面进一步减小，用以减小器件暗计数。同时由于入射光敏面积远大于像元面积，因此增强了器件光收集效率。

3）微腔结构具有滤波功能，在汇聚耦合的同时能够防止背景杂散光对于单光子探测信号的干扰。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的汇聚耦合结构的结构示意图

图3是本发明的汇聚耦合结构及单光子探测的切面示意图。

图4是实施例1的结构示意图。

图5是实施例1的光栅对于TM与TE偏振入射光的透射谱。

图6是实施例2的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种具有汇聚滤波功能的单光子偏振成像阵列，其特征在于：整体结构为二维周期性排列的偏振探测单元，其中每个偏振探侧单元包括单光子探测器组及四个具有不同偏振方向的汇聚耦合结构，四个汇聚耦合结构集成在单光子探测器组上，每两个相邻汇聚耦合结构的偏振方向相差45度。

如图4所示，本实施例的具有汇聚滤波功能的单光子偏振成像阵列，具体是指一种基于超导纳米线的单光子偏振成像阵列。结构为二维周期性排列的偏振探测单元，其中每个偏振探侧单元包括单光子探测器组及4个集成在其上具有不同偏振方向的汇聚耦合结构，偏振方向分别为水平、右倾45度、垂直和左倾45度。汇聚耦合结构及单光子探测见图3，探测波长为1550 nm，结合附图3对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

如图2所示，汇聚耦合结构具体为：上层金属光栅层41是一维周期排列的金属线条光栅，其材质为金。周期p=1.05μm一共有60个光栅周期，刻槽宽度w=0.54μm、厚度为h1=0.2μm。透明介质汇聚层42成分材料为二氧化硅。其厚度h2由理论计算得到的优化结果为1μm，此时耦合进入耦合微腔中的电磁波所形成的横向驻波模式。金属阻挡层43在介质汇聚层42的两端，其材质为金，限制微腔中的光从两边泄露。下层金属反射出光层44厚度为h3=0.1μm的金属层中开孔保证汇聚光的出射，其材质为金。下层金属反射出光层44中开孔保证汇聚光的出射，开孔位置以下层金属反射出光层中间左右各p/2=0.5μm处为开孔中心，开孔为与金属光栅层41刻槽宽度w=0.5μm一致的条形刻槽，刻槽中填充二氧化硅。

单光子探测器11为NbN超导纳米线单光子探测，生长在衬底13上，衬底材质为MgO。NbN超导纳米线光敏面由NbN超导纳米线蜿蜒盘绕构成矩形，尺寸为4×10μm。由于需将超导纳米线与下层金属反射出光层44进行隔绝，因此在超导纳米线生长一层透明介质隔绝层12，材质为二氧化硅，厚度为200nm。

图5为耦合汇聚结构对于TM与TE偏振入射光的透射谱。可以看出对于探测波长1550nm，偏振选择比可达94%，光透过率达到70%。单光子信号进入到面积为63×10μm的耦合结构后，在1550nm附近的只有TM光透过，并被汇聚到尺寸为4×10μm的超导纳米线光敏面上，其汇聚增强倍数为：63÷4×70%=11倍。

实施例2

如图6所示，本实施例的具有汇聚滤波功能的单光子偏振成像阵列，具体的是指一种基于单光子雪崩探测器的单光子偏振成像阵列。结构为二维周期性排列的偏振探测单元，其中每个偏振探侧单元包括单光子探测器组及4个集成在其上具有不同偏振方向的汇聚耦合结构，偏振方向分别为水平、右倾45度、垂直和左倾45度。汇聚耦合结构及单光子探测见图3，探测波长为1550 nm，结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

如图2所示，汇聚耦合结构具体为：上层金属光栅层41是一维周期排列的金属线条光栅，其材质为金。周期p=1.05μm一共有80个光栅周期，刻槽宽度w=0.54μm、厚度为h1=0.2μm。透明介质汇聚层42成分材料为二氧化硅。其厚度h2由理论计算得到的优化结果为1μm，此时耦合进入耦合微腔中的电磁波所形成的横向驻波模式。金属阻挡层43在介质汇聚层42的两端，其材质为金，限制微腔中的光从两边泄露。下层金属反射出光层44厚度为h3=0.1μm的金属层中开孔保证汇聚光的出射，其材质为金。下层金属反射出光层44中开孔保证汇聚光的出射，开孔位置以下层金属反射出光层中间左右各p/2=0.5μm处为开孔中心，开孔为与金属光栅层41刻槽宽度w=0.5μm一致的条形刻槽，刻槽中填充二氧化硅。

单光子探测器11为背入射的单光子雪崩探测器，生长在衬底12上，衬底材质为蓝宝石片。单光子雪崩探测器台面尺寸为15×10μm。

单光子信号进入到面积为84×10μm的耦合结构后，在1550nm附近的只有TM光透过，并被汇聚到尺寸为4×10μm的单光子雪崩探测器台面上，按照透过率为65%计算，其汇聚增强倍数为：84÷4×65%=13.7倍。