极化敏感的高效超导纳米线单光子探测器及其设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种极化敏感的高效超导纳米线单光子探测器，包括硅基底、金膜反射层、二氧化硅介质腔、NbN纳米线和耦合反对称分裂环谐振器，其中由下至上依次为所述硅基底、金膜反射层、二氧化硅介质腔以及耦合反对称分裂环谐振器，所述NbN纳米线位于二氧化硅介质腔内部，所述NbN纳米线包括多个周期排列的单元结构，所述耦合反对称分裂环谐振器呈周期排列。本发明还公开了一种上述探测器的设计方法。本发明结构简单、新颖，使用的超导材料NbN纳米线宽度大，占空比高，对近红外波的单光子探测效率高，计数速度快。
【专利说明】
极化敏感的高效超导纳米线单光子探测器及其设计方法
技术领域
[0001] 本发明属于量子通信、遥感和生物成像等领域，特别设及一种极化敏感的高效超 导纳米线单光子探测器及其设计方法。
【背景技术】
[0002] 相比于半导体探测器，工作于近红外波段的超导纳米线单光子探测器 (Superconducting 化nowire Single Photon Detector,简称SNSPD)具有高效、快速、低 暗计数和低抖动等优点。运种探测器由于其曲折线的结构，呈现出本征的极化选择性。当 我们需要进行光的强度探测时，我们要尽可能的减少运种极化选择性。但当我们利用光 的极化特性如量子密钥的加密，或测量光的极化特性，如遥感成像的偏振测定和散射介质 中的偏振成像，我们又需要一个高极化敏感的探测器。
[0003] 我们通常用SNSro对TE波（电场方向平行于纳米线）和TM波（电场方向垂直于纳米 线）的吸收率之比来表示它的极化敏感性，即极化消光比（Polarization Extinction Ratio,简称PER)。阳R值越高说明该器件具有更强的极化选择性。目前，上海微系统所的尤 立星等人研究高阳R的SNSP化，背面入射Si-A/4Si02-NbN腔，通过减小师N纳米线宽度和减 小占空比来提高PER(最高22)，但导致TE吸收率过低（12%)。为保持高pm?同时提高对TE波的 吸收，Μ紅ia Csete等人在100皿宽的NbN纳米线上增加纳米腔光栅结构，占空比0.13时TE吸 收在45%W下，但是该结构的工艺难度大，几乎不可能实现，非常不利于器件的应用。
【发明内容】
[0004] 发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种极化 敏感的高效超导纳米线单光子探测器及设计方法，通过利用超材料结构一-禪合反对称分 裂环谐振器(Coupling Anti-symmetric Split Ring Resonator,也简称CASRR)，对TE波和 TM波极化敏感性来改善NbN曲折线本身的极化特性，同时把它结合到具有谐振腔结构的高 效SNSro中，在得到高极化敏感特性的同时获得高的吸收率。本发明结构简单、新颖，使用 的超导材料NbN纳米线宽度大，占空比高，对近红外波的单光子探测效率高，计数速度快。
[0005] 技术方案： 为实现上述发明目的，本发明提供的第一种技术方案为一种极化敏感的高效超导纳米 线单光子探测器，包括娃基底、金膜反射层、二氧化娃介质腔、NbN纳米线和禪合反对称分裂 环谐振器，其中由下至上依次为所述娃基底、金膜反射层、二氧化娃介质腔W及禪合反对称 分裂环谐振器，所述NbN纳米线位于二氧化娃介质腔内部，所述NbN纳米线包括多个周期排 列的单元结构，所述禪合反对称分裂环谐振器呈周期排列。
[0006] 本发明提供的第二种技术方案为极化敏感的高效超导纳米线单光子探测器的设 计方法，使用FDTD solutions仿真软件，设计方法包括如下步骤：（1)设计一个禪合反对称 分裂环谐振器，谐振频率在1550nm附近；（2)将所述禪合反对称分裂环谐振器置于二分之一 波长的二氧化娃介质腔之上，二氧化娃介质腔的下部是lOOnm厚的金膜反射层，金膜反射层 位于1mm厚的娃基底之上；当入射光电场方向平行于禪合反对称分裂环谐振器的对称轴时， 找到二氧化娃介质腔内电场为零的位置;（3)在电场为零处插入一NbN纳米线，所述NbN纳米 线包括多个周期排列的单元结构，并垂直于禪合反对称分裂环谐振器的对称轴；（4)移动最 上层的禪合反对称分裂环谐振器，微调禪合反对称分裂环谐振器与师N纳米线之间的距离 d;巧）同时改变禪合反对称分裂环谐振器的两臂长之和L(即b+L2)，保证对称度不变，目化1/ L=0.58 ,记录入射光电场方向平行于师N纳米线入射时和垂直于师N纳米线入射时的吸收 率；（6)重复步骤(4)和巧），得到探测器对两种极化方向的入射光的吸收率关于禪合反对称 分裂环谐振器与NbN纳米线的距离、禪合反对称分裂环谐振器的两臂长之和的二维等高线 图；（7)比较步骤(6)得到的图像，找到吸收率和极化消光比最佳的参数；（8)最后在水平方 向移动NbN纳米线的位置，优化结构参数。优化结构参数的具体方法为，在NbN纳米线的最佳 Z坐标值所在x-y平面内测量电场分布，将NbN纳米线放在x-y平面内电场最强的位置，即可 增大吸收率同时保持较大的极化消光比。
[0007] 有益效果:该结构的极化敏感的探测器相比W往，结构简单新颖，在提高PER的同 时保持了极高的吸收率，纳米线拥有宽度值大和占空比高的优点，使得该探测器具有制备 简单，探测效率高和反应速度快的优势。
【附图说明】
[0008] 图1为极化敏感的高效超导纳米线单光子探测器的结构示意图； 图2为禪合反对称分裂环谐振器的结构示意图； 图3为单元结构被TM波或者TE波入射时二氧化娃介质腔内电场分布W及调节参数的示 意图； 图4为禪合反对称分裂环谐振器在两种极化光入射下的传输谱线； 图5为探测器的TE吸收率关于d(超材料结构与纳米线的距离）、L(超材料的两臂长之 和）的等局线图； 图6为探测器的P邸关于d(超材料结构与纳米线的距离）、L(超材料的两臂长之和)的等 局线图； 图7为探测器的TE吸收率和pm?随纳米线X坐标值的变化而变化的图像； 图8为探测器在两种极化光入射下的吸收谱线。
【具体实施方式】
[0009] 下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解运些实施例仅用于说明 本发明而不用于限制本发明的使用范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明 的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0010] -、设计新型极化敏感的高效探测器 为设计新型极化敏感的高效探测器的结构，研究了很多极化敏感的探测器。但是之前 的结构要么结构简单但吸收率过低，PER也不高，要么吸收率和PER都很理想，但是结构复 杂，不易制备。我们知道，NbN纳米线的吸收率由其内部电场大小决定，再由PER的定义 (SNSPD对TE波和TM波的吸收率之比）可W看出，减少NbN纳米线条对TM波的吸收，即减弱TM 波入射时NbN纳米线内部电场强度，是提高PER的关键，为此我们设计了一种禪合反对称分 裂环谐振器结构，运种结构对TE波和TM波有不同的传输特性，减弱纳米线对TM波的吸收，增 强其对TE波的吸收，从而获得很高的PER。据此，我们设计了一种简单的超材料结构加载的 金属-介质-金属谐振腔结构，示意图如图1所示，该探测器的整体结构为Si-Au-Si〇2-NbN- CASRR，其中NbN纳米线埋在Si化介质中，在X轴呈周期分布，周期为600nm(图1中的虚线框即 为一个周期），占空比（纳米线宽度与X方向周期之比)为0.2。其上的超材料结构CASRR在X轴 和y轴方向均呈周期分布，周期为魄Oim?:目日Oran，如图2所示，b=335nm，Li=145nm，L2= 105皿，3=80皿，￥=50皿。该探测器对155011111波长的了6入射光吸收率高达85.5%，对1550皿 波长的TM入射光吸收率几乎为零，PER为585。该NbN结构是由周期排列的婉艇状的纳米线条 组成，选择运种结构主要原因在于可W增大探测区域的面积，实现单模光纤和探测区域的 直接禪合，大大提高期间的探测效率。此外，运种结构可W通过矩形图案的电子束直接写 入，便于实验。最上层的超材料结构采用禪合反对称的分裂环谐振器结构，运种结构在 1550nm波长附近谐振，汇聚能量，可W调节周围电场分布，同时对TE波和TM波有天然的通过 选择性，而且结构容易制作。
[0011] 为确定该结构的最优化参数，先用基于有限时域差分法的抑TD solutions软件进 行大量模拟仿真，Z方向设置为PML边界，X与y方向均设置为周期边界，电磁场传输方向沿着 Z方向。图1中娃基底的厚度d=lmm，金膜反射层的厚度为lOOnm，金膜反射层与NbN纳米线之 间的二氧化娃厚度为510nm，NbN纳米线的厚度为6nm，宽度120nm，每个单元结构间隔480nm， 超材料结构（即禪合反对称分裂环谐振器)的厚度为l〇〇nm，NbN纳米线和超材料结构之间的 二氧化娃厚度为45nm，NbN纳米线和超材料结构的周期均为目OOnmx目日日ran。
[0012] 二、极化敏感的高效探测器的设计方法 下面介绍设计该新型探测器的方法： (1) 设计极化选择性结构一一禪合反对称分裂环谐振器，其谐振波长在1550nm。如图3 所示，对于TE波而言，它的透射光谱在1550nm有谐振峰，而对于TM波而言，传输系数在我们 感兴趣的频率范围内几乎为1; (2) 预先设定超材料结构加载的二氧化娃介质腔的介质厚度为555nm(。、丞巧），并且找 到介质内的TM波的电场零点，即Z方向的坐标位置，如图4所示，TM波入射时，电场为零的Z坐 标为510nm，而此时TE波在z=510nm处的电场并不为零，可W保证一定TE吸收率和较高的 阳R; (3) 按照图1的结构和步骤(1)和(2)中的参数，搭建探测器单元结构模型，其中120nm宽 600nm长的NbN纳米线置于(2)中的电场零点，X方向和y方向的边界条件均设置为周期条件； (3) 移动最上层的禪合反对称分裂环谐振器，微调禪合反对称分裂环谐振器与NbN纳米 线之间的距离d(如图4最底下的单元结构参数所示）； (4) 同时改变禪合反对称分裂环谐振器的两臂长之和L(如图4最底下的单元结构参数 所示），记录入射光电场方向平行于纳米线入射时和垂直于纳米线入射时的吸收率； 巧)重复步骤(3)和(4)，得到探测器对两种极化方向的入射光的吸收率关于禪合反对 称分裂环谐振器与NbN纳米线的距离d、禪合反对称分裂环谐振器的两臂长之和L的二维等 高线图，如图5所示，同时计算出PER关于d和L的二维图，如图6所示； (6)比较步骤巧)得到的图像，找到吸收率和阳R最佳的参数.d=45nm，L=305nm时，TE吸 收率为84.3%，PER高达522; (7)最后在水平方向移动NbN纳米线的位置，优化结构.优化结构参数的方法为，在NbN 纳米线的最佳Z坐标值所在x-y平面内测量电场分布，将NbN纳米线放在x-y平面内电场最强 的位置，即可增大对TE波的吸收率同时保持较大的极化消光比。如图7所示，纳米线X轴坐标 值为20nm时，即NbN纳米线偏离超材料结构空隙中屯、20nm时，吸收率最大为85.5%，阳R可W 提局到585,如图8所不。
[0013] Ξ、极化敏感的高效探测器的容错度分析 从工艺角度考量，我们还进行了容错度的分析.仿真结果表明，NbN纳米线的Z坐标偏离 最佳点lOnmW内对吸收率影响小于4.3%,而对阳R影响较大。为保证400 W上的阳R，师N纳 米线的Z坐标偏离最佳点应控制在5nmW内；而从图7中可W看出NbN的X坐标值偏差20nmW 内，吸收率的误差小于4%，P邸在500W上。
[0014] 四、极化敏感的高效探测器实验结果及讨论 本发明设计的极化敏感的高效单光子探测器最主要的应用方面是量子通信、遥感和生 物成像等领域，它们要求该探测器具备很高的极化消光比和较好的光吸收率。从图8可知， 我们仿真设计的探测器对1550nm电场方向平行于纳米线的入射光的吸收率高达85.5%，对 1550nm电场方向垂直于纳米线的入射光几乎不吸收，PER高达585，完全满足应用的需要。
[0015] 另外，本发明的极化敏感的高效探测器，相对文献报道的光栅结构的极化敏感探 测器，结构简单，减小了工艺难度，而且正面入射可W提高入射光的禪合效率。
[0016] 总之，我们利用超材料结构设计的极化敏感高效探测器，主要体现在结构新颖，原 理独特，选用材料优越，制备方法方便，吸收率高、PER大等优点。在实际需要中，根据本专利 中的设计方法，改变结构的参数，可W得到其他谐振频率的探测器。因此，必将在超导W及 其它类型单光子探测器中得到广泛应用。
【主权项】
1. 一种极化敏感的高效超导纳米线单光子探测器，其特征在于，包括硅基底、金膜反射 层、二氧化硅介质腔、NbN纳米线和耦合反对称分裂环谐振器，其中由下至上依次为所述硅 基底、金膜反射层、二氧化硅介质腔以及耦合反对称分裂环谐振器，所述NbN纳米线位于二 氧化硅介质腔内部，所述NbN纳米线包括多个周期排列的单元结构，所述耦合反对称分裂环 谐振器呈周期排列。2. 根据权利要求1所述极化敏感的高效超导纳米线单光子探测器，其特征在于，所述耦 合反对称分裂环谐振器的厚度为lOOnm。3. 根据权利要求1所述极化敏感的高效超导纳米线单光子探测器，其特征在于，所述 NbN为超导NbN，所述NbN纳米线的厚度为6nm，宽度为120nm，每个所述单元结构间隔480nm。4. 根据权利要求1所述极化敏感的高效超导纳米线单光子探测器，其特征在于，所述金 膜反射层与NbN纳米线之间填充的二氧化娃介质腔的厚度为510nm，NbN纳米线与親合反对 称分裂环谐振器之间填充的二氧化硅介质腔的厚度为45nm。5. 根据权利要求1所述极化敏感的高效超导纳米线单光子探测器，其特征在于，所述金 膜反射层的厚度为100nm〇6. 根据权利要求1所述极化敏感的高效超导纳米线单光子探测器，其特征在于，所述耦 合反对称分裂环谐振器在水平方向和垂直方向的分布周期为600nnix600mn，所述NbN纳米 线在水平方向的分布周期为600nm〇7. -种极化敏感的高效超导纳米线单光子探测器的设计方法，其特征在于，使用H)TD solutions仿真软件，设计方法包括如下步骤:（1)设计一个耦合反对称分裂环谐振器，谐振 频率在1550nm附近；（2)将所述耦合反对称分裂环谐振器置于二分之一波长的二氧化硅介 质腔之上，二氧化硅介质腔的下部是l〇〇nm厚的金膜反射层，所述金膜反射层位于1mm厚的 硅基底之上；当入射光电场方向平行于耦合反对称分裂环谐振器的对称轴时，找到二氧化 娃介质腔内电场为零的位置;（3)在电场为零处插入一NbN纳米线，所述NbN纳米线包括多个 周期排列的单元结构，并垂直于耦合反对称分裂环谐振器的对称轴；（4)移动最上层的耦合 反对称分裂环谐振器，微调耦合反对称分裂环谐振器与NbN纳米线之间的距离d;(5)同时改 变耦合反对称分裂环谐振器的两臂长之和L，保证对称度不变，记录入射光电场方向平行于 NbN纳米线入射时和垂直于NbN纳米线入射时的吸收率；（6)重复步骤(4)和(5)，得到探测器 对两种极化方向的入射光的吸收率关于耦合反对称分裂环谐振器与NbN纳米线的距离、耦 合反对称分裂环谐振器的两臂长之和的二维等高线图；（7)比较步骤(6)得到的图像，找到 吸收率和极化消光比最佳的参数；（8)最后在水平方向移动NbN纳米线的位置，优化结构参 数。8. 根据权利要求7所述极化敏感的高效超导纳米线单光子探测器的设计方法，其特征 在于，所述步骤(8)中，优化结构参数的方法为，在NbN纳米线的最佳z坐标值所在x-y平面内 测量电场分布，将NbN纳米线放在x-y平面内电场最强的位置。9. 根据权利要求7所述极化敏感的高效超导纳米线单光子探测器的设计方法，其特征 在于，所述步骤(1)中，耦合反对称分裂环谐振器的厚度为lOOnm。10. 根据权利要求7所述极化敏感的高效超导纳米线单光子探测器的设计方法，其特征 在于，所述步骤(2)和步骤(3)中，在1550nm波长处，Si，Si〇2，Au，NbN的折射率分别为3.628， 1.444，0.559+9.81 i和5.23+5.82i ;Au和NbN在其他频率处的折射率采用Lorenz-Drude模
【文档编号】G06F17/50GK105870315SQ201610208024
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月5日
【发明人】金彪兵, 杨萌萌, 朱广浩
【申请人】南京大学