一种光子数分辨探测器及其系统的制作方法

本发明涉及光电子器件领域，尤其涉及一种光子数分辨探测器及其系统。

背景技术：

随着量子光学与经典光学的发展，需要在近红外波段下实现多光子的协同探测，而这就需要能够实现光子数分辨的探测器。光子数分辨的探测器指的是，当入射0到n个光子时，探测器能够实时的输出对应的n+1个状态来分辨入射的光子数。目前，光子数分辨探测在量子通信、激光雷达等方面得到了广泛的应用。

为了实现高保真度的多光子探测，目前传统的光子数分辨的实现方法是采用m(m≥n)个独立的高性能单光子探测器，例如，利用超导纳米线单光子探测器(superconductingnanowiresingle-photondetectors,简称snspd)阵列，协同探测多个光子，进而实现入射光子数的分辨。虽然单个snspd具有优良的性能，但每一个snspd都需要工作在液氦温区，并需要独立的偏置电路与读出电路。

因此随着探测光子数n的增加，整体多光子探测系统的复杂度也随之增加，使得光子分辨个数n的拓展存在着限制，另一方面，当探测器数量一定时，光子数探测保真度会随着入射光子数的增加而急剧下降。另一种多光子探测方案是采用具有本征光子数分辨能力的探测器，例如：snspd、超导转变边沿探测器(tes)等。该方案的保真度为1，但最大可分辨光子数存在限制，一般小于10个光子，例如：snspd最多可分辨光子数仅为4个。

技术实现要素：

本发明提供了一种光子数分辨探测器及其系统，本发明将传统的单光子探测器改进为光子数分辨探测器，保留snspd的高探测效率等主要优点，同时利用snspd的本征光子数分辨能力，实现高保真度的多光子探测；本发明使用单个偏置电路与读出电路，旨在简化多光子探测系统的复杂度，且赋予器件可分辨光子数n的扩展性，详见下文描述：

一种光子数分辨探测器，所述光子数分辨探测器包括：超导纳米线多光子探测器，

所述超导纳米线多光子探测器由多根光敏纳米线与1根电流库并联构成，多根光敏纳米线探测光子后，溢出的电流存储在电流库中，电流库中的超导电流的大小与探测光子数形成对应关系；

确定光敏纳米线和电流库之间线宽的比值、以及二者之间的动能电感的比值；在电流库结构上集成一个y型读出臂，实现非侵入式的测量电流库中的电流ir。

其中，所述在电流库结构上集成一个y型读出臂，实现非侵入式的测量电流库中的电流ir具体为：

待监测的电流库中的电流ir流入y型读出臂，读出电流从读出臂流入；读出臂与电流库之间存在夹角，通过测量读出臂的临界电流，推知电流库内的超导电流，实现探测光子数的读出。

一种光子数分辨探测系统，所述系统包括：光子数分辨探测器，

所述光子数分辨探测器安放至制冷机中，光源采用脉冲激光器，光源经过偏振控制器与光学衰减器后，耦合到光子数分辨探测器上；

任意波形发生器产生两路电流脉冲信号，经过射频衰减器衰减后，分别作为光子数分辨探测器的偏置电流信号与读出电流信号，读出电流信号经过放大器放大后通入示波器，观测读出电流信号的临界电流，最终实现电流库中的电流ir的读出。

进一步地，所述系统的工作分为3个阶段：

预偏置阶段，在y型读出臂端任意波形发生器输入负电流脉冲，使电流库内大部分电流转移至光敏纳米线内；

光子探测阶段，在光脉冲入射后，y型读出臂端采用任意波形发生器输入三角波信号，利用该三角波信号扫描测量电流库中的电流值，得到每个脉冲中光子数分布信息；

重置器件阶段，在每一次三角波信号之后，输入一个大的偏置电流脉冲信号使器件整体变为有阻态，之后停止输入偏置电流，使器件恢复至超导态。

其中，所述系统还包括：

通过调节光学衰减器的衰减数值，测量不同入射光子数下每个脉冲中实际光子数的分布，并与理论预测的泊松分布相比较，验证光子分辨探测的可靠性。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明在高探测效率snspd的基础上进行改进，利用单个探测器的单路读出，实现实时的光子数分辨探测；

2、本发明使用单个偏置电路与读出电路，旨在简化多光子探测系统的复杂度，且赋予器件可分辨光子数n的扩展性；

3、本发明提出的光子数分辨探测器有望应用在具有大光子数分辨需求的场景中。

附图说明

图1为m＝2时光子数分辨探测器的器件结构示意图、电学结构示意图与光子数响应仿真图；

其中，(a)为m＝2情形下的超导纳米线多光子探测器结构：n1，n2为2根光敏纳米线结构；r为储存电流的电流库结构。ytron结构通过读出电流iread的临界值读出电流库中的电流ibias为器件整体偏置电流；(b)为m＝2情形下的超导纳米线多光子探测器结构的等效电路模型；(c)为通过热电模型，仿真出不同入射光子情况下的电流库中的超导电流随时间的演变图。

图2为m＝20时光子数分辨探测器的器件结构示意图、电流库稳态电流仿真图与稳态电流最小差值仿真图；

其中，(a)为m＝20情形下的超导纳米线多光子探测器结构：n1到n20为20根光敏纳米线结构；r为储存电流的电流库结构。ytron结构通过读出电流iread的临界值读出电流库中的电流ir，ibias为器件整体偏置电流；(b)为不同入射光子数n的情形下，电流库中的电流的稳态值分布图；(c)为对于不同入射光子数n，电流库中稳态电流之间的最小差值。

图3为ytron结构示意图与ytron电流读出的仿真结果图；

其中，(a)为ytron结构示意图，电流库与读出臂之间存在一定的夹角；(b)为对电流库中的电流ir与读出臂的临界电流的关系进行仿真，仿真结果表明读出臂的临界电流与电流库中的电流ir之间存在着线性关系，即根据读出臂的临界电流就可以读出电流库中的电流大小。

图4为光子数分辨探测系统示意图与预期实验结果图。

其中，(a)为光子数分辨探测系统示意图；(b)为预期实验结果：第一行是入射光脉冲在时序上的分布，第二与第三行分别代表任意波形发生器(awg)产生的读出电流iread与整体偏置电流ibias，最后一行代表电流库中的超导电流ir与入射光子数的映射关系。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

本发明实施例中的光子数分辨探测器的技术方案分为以下几个方面：技术一是实现超导纳米线多光子探测器的设计，验证超导纳米线多光子探测器的电流库结构内的电流ir与探测光子数具有一一对应的关系；技术二是设计超导电流读出结构ytron，实现电流库内的电流ir的读出；技术三是光子数分辨探测器整体系统的设计。

技术一：超导纳米线多光子探测器的设计

超导纳米线多光子探测器是由m根光敏纳米线与1根电流库并联构成。光敏纳米线的宽度一般在几十到一百纳米之间，作用是探测光子。在光敏纳米线上施加一定的偏置电流，光敏纳米线在探测光子后会从超导态变成有阻态，大部分的偏置电流会从光敏纳米线中溢出。而电流库是一根比光敏纳米线宽的多的纳米线，对光子不敏感，作用是储存光敏纳米线探测光子后的溢出电流。多根光敏纳米线探测光子后，溢出的电流都会存储在电流库中，使得电流库中的超导电流的大小与探测光子数形成对应关系。

超导纳米线多光子探测器的设计：首先，确定光敏纳米线和电流库之间线宽的比值、以及二者之间的动能电感的比值，确保器件整体可以处于较高的偏置水平，同时在工作过程中不发生闭锁。通过减小器件整体的动能电感，增强了snspd的本征光子数分辨能力并加以利用，从而实现高保真度的多光子探测。接着利用超导纳米线的热电仿真平台，对设定好的器件结构进行工作原理的仿真。

本发明实施例中以m＝2与m＝20的结构为例，仿真电流库中超导电流与入射光子数的关系。仿真结果验证了电流库中的电流与入射光子数之间的对应关系。

技术二：集成ytron结构

ytron结构是利用超导电流拥挤效应实现超导电流读出的一种结构，本发明在电流库结构上集成一个y型读出臂，能够非侵入式的测量电流库中的电流ir。

具体工作方式是：待监测的电流库中的电流ir流入ytron结构，而读出电流iread从读出臂流入；读出臂与电流库之间存在一定的夹角，使得在电流库与读出臂的连接处，电流库中的超导电流可以减弱读出臂的电流拥挤效应，当电流库中的超导电流增大时，读出臂电流的最大值(即：读出臂的临界电流)也会增大；最终通过测量读出臂的就可以推知电流库内的超导电流，进而实现超导纳米线多光子探测器的探测光子数的读出。

技术三：光子数分辨探测器系统

系统设计如下：将技术一和二设计的光子数分辨探测器安放至制冷机后，通入具有一定重复频率的相干光脉冲信号。将单个光脉冲所包含的光子数衰减到少光子量级(其中少光子量级是与多光子量级相对的概念，为本领域技术人员所公知)后，光脉冲通过光纤耦合至光子数分辨探测器中。实验装置中的任意波形发生器产生偏置电流信号和读出电流信号，偏置电流用以偏置和重置器件，读出电流用以读出器件电流库内的超导电流。器件输出信号通过放大器(射频)放大后输入至示波器中，从而得到读出臂的临界电流。利用探测器探测入射光脉冲在不同光衰减下的光子数，并与理论结果相对比，实现光子数分辨探测器的验证。

该光子数分辨探测器的器件材料可使用多晶材料，包括：氮化铌、氮化钛铌，以及非晶态材料，包括：硅化钨、硅化钼。典型光敏纳米线厚度在4～9nm，宽度在30～150nm，本发明实施例对材料、纳米线厚度不做限制，可根据实际应用中的需要进行设定。

实施例2

下面结合图1-图4，对实施例1中的方案进行进一步地介绍，详见下文描述：

一、超导纳米线多光子探测器的设计

超导纳米线多光子探测器的结构如图1(a)所示，由m根(图中绘制出m＝2的情形)光敏纳米线并联单根电流库结构后，再在电流库结构上集成ytron结构。电流库的宽度需根据光敏纳米线宽以及根数m来进行设定。电流库中的电感根据光敏纳米线电感以及根数m来进行设定。设定的结构通过热电仿真，可得到不同探测光子数下电流库中的电流演变过程。m＝2时的电路示意图如图1(b)，光敏纳米线触发后，电流会流入电流库中。对上述结构进行热电仿真，图1(c)展示了在不同入射光子情况下的电流库中的超导电流随时间的演变。此处考虑了单根纳米线的单光子激发与双光子激发的情况。那么就具有六种光子入射的情形：图1(b)中1+1代表两根纳米线分别有1个光子入射；1+2代表一根纳米线有1个光子入射，而另一根纳米线有2个光子入射；2+2代表两根纳米线分别有2个光子入射；1+0代表一根纳米线有1个光子入射，而另一根纳米线无光子入射；2+0代表一根纳米线有2个光子入射，而另一根纳米线无光子入射；0+0代表两根纳米线都无光子入射。

仿真结果表明，电流库中的电流ir具有与入射光子情形相对应的六种状态，验证了并联电流库的超导纳米线多光子探测器的可行性。此外，为展示光敏纳米线根数m的可拓展性，本发明实施例还仿真了m＝20的情形，具体结构如图2(a)所示，仿真出的所有电流库的稳态电流分布如图2(b)所示，图2(c)展示了对于不同入射光子数n，电流库中稳态电流的最小差值。在考虑ytron结构的电流分辨能力的基础上，m＝20时超导纳米线多光子探测器最多可以在高保真度下分辨出13个光子，当入射光子大于13时，保真度将减小。

二、ytron结构设计

ytron基本结构如图3(a)所示，在电流库结构中集成了一个读出臂，该读出臂与电流库间存在一定夹角，通过读出臂的即可读出电流库的电流ir。在设计过程中，应确保电流库与读出臂的宽度相近；在此基础上，调节两臂的夹角和接口处的弧度，使得ytron读出电路的量程覆盖电流库内电流的变化范围，分辨率小于每次由单光子探测事件引起的电流增幅，最终通过ytron的读出能够实现每一次光子探测的分辨。经过上述过程，针对m＝2的情形超导纳米线多光子探测器设计的与ir的关系如图3(b)所示。

三、光子数分辨探测器的加工

用磁控溅射的方式在氧化片衬底上溅射一层厚度约为9nm的氮化钛铌材料；

通过电子束曝光的方法将纳米线图形转移到电子束曝光胶上，利用电子束曝光胶作为掩模，用反应离子束刻蚀方法刻蚀纳米线图形；

通过光刻-电子束蒸发-剥离的方法，在超导薄膜上沉积与纳米线图形对准的电学连接电极(钛/金)。

四、光子数分辨探测器系统测试

该光子数分辨探测器系统的结构示意图如图4(a)所示，利用整体的探测系统测量相干光脉冲中光子数的分布，验证光子数分辨探测器的可行性。整体实验装置设计如下：首先将设计的光子数分辨探测器安放至制冷机中，并降温至2.7k温区。光源采用1550纳米中心波长的脉冲激光器，光源经过偏振控制器与光学衰减器后，通入制冷机耦合到光子数分辨探测器上。在电学结构方面，任意波形发生器(awg)产生两路电流脉冲信号，经过射频衰减器衰减后，分别作为光子数分辨探测器的偏置电流信号ibias与读出电流信号iread。读出电流信号iread经过放大器放大后通入示波器，观测iread信号的临界电流最终实现电流库中的电流ir的读出。

超导纳米线多光子探测器的工作分为三个阶段：预偏置、光子探测、重置器件。预偏置阶段，在ytron读出臂端awg输入负电流脉冲，使电流库内大部分电流转移至光敏纳米线内；光子探测阶段，在光脉冲入射后，ytron读出臂端采用awg输入三角波信号，利用该三角波信号扫描测量电流库中的电流值，从而得到每个脉冲中光子数分布信息；重置器件阶段，在每一次三角波信号之后，输入一个大的偏置电流脉冲信号使器件整体变为有阻态，之后停止输入偏置电流，使器件恢复至超导态，从而重置器件。通过调节光学衰减器的衰减数值，测量不同入射光子数下每个脉冲中实际光子数的分布，并与理论预测的泊松分布相比较，验证光子分辨探测的可靠性。图4(b)展示了在一定光子数入射时，awg产生的读出电流以及整体偏置电流的时序图分布，并给出了最终预计测得的电流库超导电流的时序分布。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。