一种基于拓扑优化的超导纳米线单光子探测器

本发明属于光电探测技术领域，具体涉及一种超导纳米线单光子探测技术。

背景技术：

超导纳米线单光子探测器，简称snspd，是一种新型的单光子探测器，具有暗计数低、探测速度快、响应频谱宽和效率高等特点。

超导纳米线单光子探测器的芯片部分由纳米量级厚度的超导薄膜构成，例如4～7nm厚度的nbn、mosi薄膜。为了提高超导纳米线单光子探测器的探测效率，采取的做法是，将超导薄膜制备成蜿蜒的纳米线形状，以增强光子与纳米线的有效作用面积。

snspd一般工作在低于4k的低温条件下，外接略小于临界电流的偏置电流。当光子被超导纳米线吸收时，库珀电子对被破坏，产生大量的热电子，在纳米线上形成热点区域，使得该位置上纳米线从超导态转变为电阻态。在偏置电流的作用下，失超的纳米线区域产生焦耳热，使得热点区域进一步扩散，最终形成完全的电阻区域。此时，检测电路的两端产生电压脉冲，输出探测信号。经过一段弛豫时间，失超的超导纳米线条通过衬底的散热过程，热电子和声电子重新形成库珀对，纳米线条重新恢复超导态，可以继续探测第二个入射的光子。由于超导材料的热弛豫时间很短，因此snspd的响应速度很快。

snspd的探测效率主要和三个参数有关：光耦合效率、纳米线的吸收效率、本征量子效率。通过自准直光纤耦合，snspd的光耦合效率已经可以达到99％以上。对于氮化铌等超导纳米线，本征量子效率也可以达到90％以上。因此，纳米线的吸收效率往往是影响snspd器件系统效率的主要因素。由于snspd的核心感光区域是纳米级厚度的超导薄膜，对于光子的吸收效率十分有限，光子会被其他介质散射掉，降低了snspd对于光子的探测效率。而且，超导纳米线的光栅结构具有各向异性，snspd的探测效率对于不同偏振状态的入射光具有显著的差异，制约了其在量子实验如光量子计算、量子密钥分发等应用中的潜力。

在分布式bragg反射镜(distributedbraggreflector，简称dbr)衬底上制备的蜿蜒纳米线薄膜，可以达到较高的光子吸收效率，但没有考虑光子的偏振特性对于吸收效率的影响。由于蜿蜒的超导纳米线具有各项异性，会产生偏振敏感的光子响应，限制了在量子通讯及量子密钥分发等相关实验上的应用。

使用高介电常数的介质包裹纳米线，实现了超导纳米线单光子探测器的偏振无关的响应，但是较高的折射率会导致实验误差变大，更不利于光子的探测效率提高，并且si介质在近红外等波段具有较高的吸收，无法用于设计近红外波段(如1064nm处)的超导纳米线单光子探测器。

基于双层垂直交叉的超导纳米线单光子探测器，实现了系统效率接近87％的超导纳米线的设计，但是wsi材料的临界温度极低，不适用于大规模的商业使用，并且制备过程需要多次使用电子束曝光和反应离子刻蚀等微纳加工技术，使得器件的成品率无法得到有效的保障。

基于nbn超导纳米线的偏振不敏感单光子探测器，采用的金反射镜对于光子具有潜在的吸收效应，金在通信波段如1550nm处，具有超过3％的光子吸收，在近红外波段的吸收会更加显著，极大的限制了超导材料对于光子的高效吸收。

利用光栅结构和波浪形结构的匹配层，降低偏振消光比，在蜿蜒的超导纳米线上制备不同光学特性的匹配层，提高极化光吸收率，但是特异的光学结构对刻蚀工艺提出很高的要求，不利于超导纳米线单光子探测器的普适性制备。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术存在的问题，满足超导纳米线单光子探测器的实际应用需求，提出了一种基于拓扑优化的超导纳米线单光子探测器，为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案。

光子晶体一和光子晶体二由不同介质交替层叠构成，交替顺序相反，二者相贴合，在接触面构成拓扑保护界面，相贴合的两个接触层构成共振腔，超导纳米线镶嵌于拓扑保护界面，介质衬底与光子晶体一贴合。

反转光子晶体的介质交替顺序，可以获得相反的反射相位和反射系数，在光子晶体一和光子晶体二的接触层形成拓扑保护界面，光子在拓扑保护界面形成强局域，使超导纳米线对光子产生强烈的共振吸收效果，具有偏振不敏感的特性。

金属材料对光子有潜在的吸收，尤其是在1064nm通信波段及可见光频段，光子的损耗异常明显，光子晶体一和光子晶体二在共振腔具有接近1的反射率，替代金属反射镜，可以减少光子的吸收。

光子晶体一和光子晶体二的厚度可改变，以调节其对光的响应波段，使不同偏振入射的光吸收率相同。

光子晶体一和光子晶体二相贴合的接触层的厚度为四分之一波长可改变，超导纳米线的几何结构可改变，以增强探测器对偏振入射的不敏感性。

光子晶体一采用pecvd技术制备，光子晶体二采用电子束蒸发技术制备，光子晶体一和光子晶体二由数层tio2和sio2交替层叠构成，二者相贴合的接触层采用sio2。

介质衬底采用二氧化硅或蓝宝石或硅或mgo，厚度为500微米，超导纳米线采用nbn或mosi或wsi，形状为蜿蜒的光栅，宽度为60～200纳米，厚度为5～10纳米。

本发明利用光子晶体异质结构中存在的拓扑保护界面，将超导纳米线镶嵌于两个光子晶体接触面，实现了超导纳米线对光子的强吸收，这种吸收与入射光子的偏振状态无关，调节两个光子晶体的介质层厚度和超导纳米线的几何结构，实现了不同超导材料的偏振不敏感响应，具有高度的产业利用价值。

附图说明

图1是探测器结构图，图2是nbn作为超导材料在1064nm通信波段的严格耦合波仿真结果图，图3是mosi作为超导材料在1550nm通信波段的严格耦合波仿真结果图。

附图标记：1-介质衬底，2-光子晶体一，3-超导纳米线，4-光子晶体二。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案做具体的说明。

实施例1

如图1所示，光子晶体一2结合于介质衬底1的上表面，光子晶体二4结合于光子晶体一2的上表面，超导纳米线3结合于光子晶体一2和光子晶体二4之间。

调节光子晶体一2和光子晶体二4的介质层厚度，以调节光的响应波段，使不同偏振入射的光吸收率相同。

调节超导纳米线3的几何结构，调节光子晶体一2、光子晶体二3的接触层厚度，增强探测器对偏振入射的不敏感性。

介质衬底1的材料可以选用mgo，超导纳米线3的材料为nbn，周期为160纳米，占空比为0.5，纳米线宽80纳米，光子晶体一的tio2层厚度为137纳米，sio2层厚度为213纳米，周期n取5。

探测器的严格耦合波仿真结果如图2所示，对于垂直偏振光tm和平行偏振光te，光的吸收效率在1064纳米处均可同时达到96％以上。

实施例2

介质衬底1的材料可以选用si，超导纳米线3的材料为mosi，周期为160纳米，占空比为0.5，纳米线宽80纳米。

探测器的严格耦合波仿真结果如图3所示，对于垂直偏振光tm和平行偏振光te，光的吸收效率在1550纳米处均可同时达到98％以上。

上述作为本发明的实施例，并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。