一种自滤光的超导纳米线单光子探测器

1.本发明涉及光电探测技术领域，具体涉及一种超导纳米线单光子探测器。


背景技术：

2.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，目前已经发展成为了具有低暗计数、高响应率、宽响应频谱和高探测效率的高性能单光子探测器，并在中远红外波段发挥着不可替代的作用，被广泛的应用于量子密钥分发、量子计算、单光子雷达等科技和国防的前沿领域。
3.超导纳米线单光子探测器的主要工作区域由纳米级厚度的超导薄膜构成，例如4~8nm厚度的nbn、mosi、wsi等超导薄膜。超导薄膜一般被制备成蜿蜒的纳米线的形状，类比于一维的光栅。其纳米线宽度为30nm至150nm不等，甚至可以达到微米量级。snspd一般工作在低于4k的低温条件下，外接略小于临界电流ic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，产生大量的准粒子，在纳米线上形成热点区域，使得该区域上的超导材料从超导态转变为电阻态。随着准粒子的逐渐漂移扩散，热点周围的超导电流逐渐向未失超的区域挤压，最终超过该处的超导临界电流密度，从而产生完整的电阻带。在偏置电流的作用下，失超的纳米线区域（即电阻带）产生焦耳热，使得电阻区域进一步扩大，最终实现达到千欧量级的电阻态。因此，电流可以通过检测电路的射频端口流出，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。
4.从上述snspd的工作原理可知，由于超导纳米线单光子探测器的探测机制是利用光子的能量实现超导库珀对的破坏，形成完整的热点，以输出响应脉冲。因此，当光子的能量在超导纳米线响应的能量阈值范围之内，理论上均可以产生响应脉冲。故而snspd并不具备本征的波长分辨能力。如通过引入光学腔以增大光学吸收的方法，在一定程度上可以压缩snspd的响应频谱，但是响应频谱的半高宽仍然在~400nm量级，甚至更宽，无法实现滤除杂散光的功能，为单光子成像等技术带来困扰。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种自滤光的超导纳米线单光子探测器，以满足超导纳米线单光子探测器的实际应用需求。
6.本发明公开的技术方案为：一种自滤光的超导纳米线单光子探测器，包括超导纳米线，所述超导纳米线形状为蜿蜒的光栅，其特征在于，还包括介质衬底以及作为反射层的第一光子晶体和作为保护和滤波层的第二光子晶体，所述第一光子晶体和第二光子晶体均分别由周期性的不同介质交替层叠构成，二者相贴合并在二者接触面构成f-p共振腔，所述超导纳米线镶嵌于该f-p共振腔中，第一光子晶体的另一面与介质衬底贴合，所述第一光子晶体和第二光子晶体的每一层介质厚度为该层介质的特征波长的四分之一，所述该层介质
的特征波长等于超导纳米线单光子探测器除以该层介质的折射率。
7.进一步而言，所述第一光子晶体和/或第二光子晶体的不同介质交替层叠的周期为4~13。
8.进一步而言，所述介质衬底采用硅或二氧化硅或蓝宝石或氧化镁或氟化镁制成。
9.进一步而言，所述介质衬底的厚度为500微米~1毫米。
10.进一步而言，所述第一光子晶体和/或第二光子晶体采用ibd、pecvd、ebe等工艺制备。
11.进一步而言，所述第一光子晶体和/或第二光子晶体的介质包括tio2、sinx、ta2o5或sio2交替层叠构成。
12.进一步而言，所述超导纳米线采用nbn、mosi或wsi制作。
13.进一步而言，所述超导纳米线宽度为30~150纳米，纳米线的周期为200~400纳米，占空比为0.3~0.6，厚度为4~10纳米。
14.本发明的有益效果如下：本发明利用光子晶体异质结构中存在的共振模式，将超导纳米线制备于两个光子晶体的接触面，实现了特定波段的光子在该系统内的强局域，增大了超导纳米线对光子的吸收。这种共振模式具有极强的波长选择性，实现了超导纳米线单光子器件自带滤光效果。响应波长的选取相对自由，可以通过调节特定的光子晶体的结构参数实现不同波段的高q值响应，并且该波长选择特性被光子晶体保护，具有一定的鲁棒性，可以容忍一定的实验制备误差，该器件可以用于单光子雷达、量子通信等方面，在滤除背景杂散光的同时，可以进一步降低由背景辐射导致的暗计数影响，具有高度的产业利用价值。
附图说明
15.图1是本发明的探测器结构图；图2是实施例1在1550nm通信波段的严格耦合波仿真结果图；图3是实施例2在1064nm通信波段的严格耦合波仿真结果图；图4是实施例3在1550nm通信波段的严格耦合波仿真结果图。
16.附图标记：1为介质衬底，2为第一光子晶体一，3为超导纳米线，4为第二光子晶体。
具体实施方式
17.下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
18.本发明旨在提出由光子晶体异质结优化的高q值snspd的设计，使得snspd在兼具高响应效率的同时，还兼具滤光的效果。如图1所示，本发明的自滤光的超导纳米线单光子探测器，自下往上依次为介质衬底1、第一光子晶体2、超导纳米线3和第二光子晶体4。其中第一光子晶体2制备于介质衬底1的上表面，作为反射层。第二光子晶体4作为保护层和滤波层，与第一光子晶体2相贴合并在二者接触面构成f-p共振腔。超导纳米线3镶嵌该f-p共振腔中。入射光从上方正入射。
19.第一光子晶体2和第二光子晶体4均分别由周期性的不同介质交替层叠构成，可采用离子束辅助溅射沉积技术（ibd）、电子束蒸发（ebe）、等离子增强化学气相沉积（pecvd）等工艺制备。该不同介质包括tio2或sinx或ta2o5或sio2等，如第一光子晶体2可为ta2o5与
sio2周期性交替层叠而成，第二光子晶体4可为sin
x
与sio2周期性交替层叠而成。交替层叠的周期是可以调整的，以改变snspd的品质因子从而响应光谱的半宽高，一般可将该周期设为4~13，优先为6或13。第一光子晶体2和第二光子晶体的各层介质厚度为该层介质的特征波长的四分之一，该层介质的特征波长等于超导纳米线单光子探测器除以该层介质的折射率。因此，可以通过调节每层介质的层厚以及光子晶体的周期调节探测器对光的响应波段，即实现了自滤光的效果，从而自由设计从可见光到中远红外波段的高q值snspd器件。而且这样结构的第一光子晶体2和第二光子晶体4，在共振波段具有接近1的反射率，相较于一般snspd采用的金属反射镜，可达到更高的纳米线吸收率。
20.介质衬底1可采用硅或二氧化硅或蓝宝石或氧化镁或氟化镁，厚度推荐为500微米~1毫米。超导纳米线3可采用nbn、mosi或wsi制作，形状为蜿蜒的光栅。超导纳米线3的几何结构，如纳米线周期、宽度、厚度以及结构的占空比，可根据实际情况进行设置，以弥补由纳米线的引入导致界面的阻抗失配，增强探测器对于特定波长的高q值响应。实践中，超导纳米线3的宽度推荐为30~200纳米，纳米线周期推荐为200~400纳米，厚度推荐为4~10纳米，占空比推荐为0.3~0.6，优选为0.5。
21.实施例1本实施例的介质衬底1的材料选用厚度为500微米的硅衬底。超导纳米线3的材料为nbn，纳米线周期为160纳米，占空比为0.4，纳米线宽70纳米。第一光子晶体2的ta2o5层厚度为186纳米，sio2层厚度为268纳米，交替层叠周期n1取13。第二光子晶体4的sin
x
层厚度为221纳米，sio2层厚度为268纳米，交替层叠周期n2取6。
22.本实施例的探测器的严格耦合波仿真结果如图2所示，对于nbn作为超导材料，在1550nm通信波段，其响应光谱的半宽高为14nm，吸收率为99.9%，q值可达110。其中图中实线为本实施例的探测器数值，虚线为用于对比的一般结构的探测器数值。
23.实施例2本实施例的介质衬底1的材料选用si。超导纳米线3的材料为nbn，纳米线周期为160纳米，占空比为0.4，纳米线宽70纳米。第一光子晶体2的ta2o5层厚度为127纳米，sio2层厚度为184纳米，交替层叠周期n1取13。第二光子晶体2的sin
x
层厚度为151纳米，sio2层厚度为183纳米，交替层叠周期n2取4。
24.本实施例的探测器的光谱响应严格耦合波仿真结果如图3所示，对于nbn作为超导材料，在1064nm通信波段，其响应光谱的半宽高为19nm，吸收率可达99.0%，q值可达56。
25.实施例3本实施例的介质衬底1的材料选用si。超导纳米线3的材料为mosi，纳米线周期为160纳米，占空比为0.4，纳米线宽70纳米。第一光子晶体2的ta2o5层厚度为186纳米，sio2层厚度为268纳米，交替层叠周期n1取13。第二光子晶体4的sin
x
层厚度为221纳米，sio2层厚度为268纳米，交替层叠周期n2取6。
26.本实施例的探测器的严格耦合波仿真结果如图4所示，对于mosi作为超导材料，在1550nm通信波段，其响应光谱的半宽高为15nm，吸收率可达99.8%，q值可达103。
27.以上所述仅为本发明的优选例实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何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，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。