高偏振消光比超导纳米线单光子探测器的制作方法

本发明属于光探测技术领域，涉及一种超导纳米线单光子探测器，特别是涉及一种高偏振消光比超导纳米线单光子探测器。

背景技术：

超导纳米线单光子探测器件(Superconducting Nanowire Single Photon Detector，SNSPD)是近年发展起来的新型单光子探测器件，可以实现可见光到近红外波段的高效单光子探测。由于其高量子效率、低暗计数、高探测速率、低时间抖动等优势，SNSPD已迅速应用于量子信息技术、激光通信、星地测距、生物荧光探测、深度成像等应用中。

SNSPD主要采用低温超导超薄薄膜材料，比如NbN、Nb、NbTiN、WSi等。典型厚度约为5-10nm，器件通常采用100nm左右宽度的曲折纳米线结构。SNSPD工作时置于低温环境中(<4K)，器件处于超导态，并加以一定的偏置电流Ib，Ib略小于器件临界电流Ic。当单个光子入射到器件中的纳米线条上时，会拆散库珀对，形成大量的热电子，从而形成局域热点，热点在偏置电流Ib的作用下由于焦耳热进行扩散，最终使得纳米线条局部失超形成有阻区。之后热电子能量通过电声子相互作用传递并弛豫，再重新配对成超导态的库珀对。由于超导材料的热弛豫时间很短，因此当SNSPD接收到单个光子后，就会在器件两端产生一个快速的电脉冲信号，从而实现单光子的探测功能。

现有的一种正面入射结构的超导纳米线单光子探测器件结构如图1所示，其包括衬底12、位于所述衬底10表面的二氧化硅层11以及位于所述二氧化硅层11表面的超导纳米线14，这种结构的结构简单，但具有较低的光吸收效率，而且所述衬底10的法布里-珀罗(Fabry-Perot)腔会对吸收效率有一定影响。

现有的一种背面入射结构的超导纳米线单光子探测器件结构如图2所示，其包括衬底10、位于所述衬底10表面的光学腔体结构12、超导纳米线14、以及反射镜15，其中所述光学腔体结构12包括二氧化硅层11及一氧化硅层13。这种结构具有较高的吸收效率，但仍然要面对器件到背面的耦合损耗，需要解决背面光到NbN纳米线的远距离(所述衬底10厚度)聚焦问题，而且，所述衬底10Fabry-Perot腔会对吸收效率有一定影响。

同时，上述两种结构的超导纳米线单光子探测器的偏振消光比非常低，不适用于要求高偏振消光比的单光子探测应用场合。

因此，提供一种具有高吸收效率、高偏振消光比、且能避免了衬底Fabry-Perot腔对吸收效率的影响的超导纳米线单光子探测器实属必要。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高偏振消光比超导纳米线单光子探测器，用于解决现有技术中超导纳米线单光子探测器吸收效率低、偏振消光比较低、且衬底Fabry-Perot腔对吸收效率的影响等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种高偏振消光比超导纳米线单光子探测器，包括：

衬底；

高反膜，位于所述衬底表面；

超导纳米线，位于所述高反膜的表面；

介质层，位于所述高反膜的表面，且包覆所述超导纳米线；

光栅结构，位于所述介质层的表面，适于过滤入射光中非目标极化光，以实现较高偏振消光比。

作为本发明的高偏振消光比超导纳米线单光子探测器的一种优选方案，所述高反膜包括交替层叠的SiO₂薄膜层与Si薄膜层、交替层叠的SiO₂薄膜层与TiO₂薄膜层、或交替层叠的SiO₂薄膜层与Ta₂O₅薄膜层。

作为本发明的高偏振消光比超导纳米线单光子探测器的一种优选方案，所述高反膜中，各薄膜层的厚度均等于入射光在该层内等效波长的1/4。

作为本发明的高偏振消光比超导纳米线单光子探测器的一种优选方案，所述超导纳米线的材料包括NbN、Nb、TaN、MoSi、MoGe、NbTiN或WSi。

作为本发明的高偏振消光比超导纳米线单光子探测器的一种优选方案，所述超导纳米线为曲折蜿蜒形状。

作为本发明的高偏振消光比超导纳米线单光子探测器的一种优选方案，所述超导纳米线的宽度为50～150纳米。

作为本发明的高偏振消光比超导纳米线单光子探测器的一种优选方案，所述超导纳米线的厚度为5～10纳米。

作为本发明的高偏振消光比超导纳米线单光子探测器的一种优选方案，所述介质层的材料为SiO₂、SiO、Si、TiO₂或Ta₂O₅。

作为本发明的高偏振消光比超导纳米线单光子探测器的一种优选方案，所述衬底包括硅衬底、MgO衬底或蓝宝石衬底。

作为本发明的高偏振消光比超导纳米线单光子探测器的一种优选方案，所述光栅结构的材料为高折射率材料。

作为本发明的高偏振消光比超导纳米线单光子探测器的一种优选方案，所述光栅结构的材料为Si、SiO、Ta₂O₅或TiO₂。

如上所述，本发明提供一种高偏振消光比超导纳米线单光子探测器，所述高偏振消光比超导纳米线单光子探测器包括：衬底；高反膜，位于所述衬底表面；超导纳米线，位于所述高反膜的表面；介质层，位于所述高反膜的表面，且包覆所述超导纳米线；光栅结构，位于所述介质层的表面。本发明的高偏振消光比超导纳米线单光子探测器通过在超导纳米线下方设置所述高反膜，可以将光直接耦合到超导纳米线上，可以避免光学腔体结构中远距离聚焦的问题，进而避免了衬底Fabry-Perot腔对吸收效率的影响，且对目标波长具有较高的吸收效率，有效提高了器件探测效率；同时，本发明的高偏振消光比超导纳米线单光子探测器通过在超导纳米线上设置高折射率的光栅结构，具有非目标极化光滤波功能，有效提高器件探测效率及偏振消光比。

附图说明

图1显示为现有技术中的一种正面入射结构的超导纳米线单光子探测器件结构的结构示意图。

图2显示为现有技术中的一种背面入射结构的超导纳米线单光子探测器件结构的结构示意图。

图3显示为本发明实施例一中提供的高偏振消光比超导纳米线单光子探测器的结构示意图。

图4显示为本发明实施例二中提供的高偏振消光比超导纳米线单光子探测器的结构示意图。

图5显示为本发明实施例三中提供的高偏振消光比超导纳米线单光子探测器的结构示意图。

元件标号说明

10 衬底

11 SiO₂层

12 光学腔体结构

13 SiO层

14 超导纳米线

15 反射镜

20 衬底

21 高反膜

211 SiO₂薄膜层

212 Si薄膜层

213 TiO₂薄膜层

214 Ta₂O₅薄膜层

22 超导纳米线

23 介质层

24 光栅结构

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图3～图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例1

如图3所示，本实施例提供一种高偏振消光比超导纳米线单光子探测器，包括：

衬底20；

高反膜21，位于所述衬底20表面；

超导纳米线22，位于所述高反膜21的表面；

介质层23，位于所述高反膜21的表面，且包覆所述超导纳米线22；

光栅结构24，位于所述介质层23的表面，适于过滤入射光中非目标极化光，以实现较高偏振消光比。

作为示例，本实施例的高偏振消光比超导纳米线单光子探测器为正面入射结构的超导纳米线单光子探测器。

作为示例，所述衬底20包括硅衬底、MgO衬底或蓝宝石衬底，所述衬底20的厚度为300～500微米。在本实施例中，所述衬底20为硅衬底，其厚度为400微米。当然，其他种类的衬底20或厚度也可能适用于本发明，因此，并不限定于此处所列举的几种示例。

作为示例，如图3所示，所述高反膜21为交替层叠的SiO₂薄膜层211与Si薄膜层212。所述高反膜21可以为所述SiO₂薄膜层211位于所述衬底20的表面，所述Si薄膜层212位于所述SiO₂薄膜层211的上方；也可以为如图3所示所述Si薄膜层212位于所述衬底20的表面，所述SiO₂薄膜层211位于所述Si薄膜层212的上方。

作为示例，所述高反膜21中，各薄膜层的厚度均等于入射光在该层内等效波长的1/4。

在所述超导纳米线22下方设置所述高反膜21，可以将光直接耦合到所述超导纳米线22上，实现较高的吸收效率；可以避免光学腔体结构中远距离聚焦的问题；避免了衬底Fabry-Perot腔对吸收效率的影响。

作为示例，所述超导纳米线22为曲折蜿蜒形状。所述超导纳米线22的材料包括NbN、Nb、TaN、MoSi、MoGe、NbTiN或WSi。所述超导纳米线22的宽度为50纳米～150纳米，所述超导纳米线22的厚度为5纳米～10纳米。优选地，本实施例中，所述超导纳米线22的材料为NbN，其宽度为100纳米，厚度为7纳米，周期为200纳米，并且，所述超导纳米线22呈曲折蜿蜒结构。当然，在其它的实施例中，所述超导纳米线22的材料、尺寸和形状均可依据实际需求进行改变，并不限于此处所列举的情况。

作为示例，所述介质层23的材料可以为SiO₂、SiO、Si、TiO₂或Ta₂O₅。将所述超导纳米线22置于所述介质层23中，起到保护所述超导纳米线22免于氧化的功能。

作为示例，所述光栅结构24位于所述介质层23的表面，优选地，本实施例中，所述光栅结构24与所述超导纳米线22对应设置，即所述光栅结构24位于所述超导纳米线22的正上方。

作为示例，所述光栅结构24的材料为高折射率材料，优选地，本实施例中，所述光栅结构24的材料为Si、SiO、Ta₂O₅或TiO₂等。

在所述超导纳米线22的正上方设置高折射率材料的所述光栅结构24，所述光栅结构24可以过滤入射光中非目标极化光，以实现较高偏振消光比。

本发明中，所述高偏振消光比超导纳米线单光子探测器的光学结构分为两个主要功能部分：第一部分是所述高反膜21部分，位于所述超导纳米线22的下方，起到光学腔体的作用，增加所述超导纳米线22的光学吸收；第二部分为高介质光栅结构24，位于所述超导纳米线22上方可用于过滤入射光非目标极化光，实现较高偏振消光比。本发明的高偏振消光比超导纳米线单光子探测器受益于成熟的光学薄膜技术，非常容易实现，工艺成本较低；整个结构使用全介质材料，避免金属材料对光的吸收损耗，尤其是避免了金属材料对红外波段光的损耗；将所述超导纳米线22置于光学薄膜中，可以起到保护所述超导纳米线22免于氧化的功能。。本发明的高偏振消光比超导纳米线单光子探测器可避免了衬底Fabry-Perot腔会对吸收效率的影响，对目标波长具有较高的吸收效率，具有非目标极化光滤波功能，有效提高器件探测效率及偏振消光比。

实施例2

如图4所示，本实施例还提供一种高偏振消光比超导纳米线单光子探测器，本实施例中高偏振消光比超导纳米线单光子探测器的基本结构如实施例1基本相同，二者的区别在于：实施例一中所述高反膜21为交替层叠的SiO₂薄膜层211与Si薄膜层212；而本实施例中所述高反膜21为交替层叠的SiO₂薄膜层211与TiO₂薄膜层213。所述高反膜21可以为所述SiO₂薄膜层211位于所述衬底20的表面，所述TiO₂薄膜层213位于所述SiO₂薄膜层211的上方；也可以为如图4所示所述TiO₂薄膜层213位于所述衬底20的表面，所述SiO₂薄膜层211位于所述TiO₂薄膜层213的上方。

实施例3

如图5所示，本实施例提供一种高偏振消光比超导纳米线单光子探测器，本实施例中高偏振消光比超导纳米线单光子探测器的基本结构如实施例1基本相同，二者的区别在于：实施例一中所述高反膜21为交替层叠的SiO₂薄膜层211与Si薄膜层212；而本实施例中所述高反膜21为交替层叠的SiO₂薄膜层211与Ta₂O₅薄膜层214。所述高反膜21可以为所述SiO₂薄膜层211位于所述衬底20的表面，所述Ta₂O₅薄膜层214位于所述SiO₂薄膜层211的上方；也可以为如图5所示所述Ta₂O₅薄膜层214位于所述衬底20的表面，所述SiO₂薄膜层211位于所述Ta₂O₅薄膜层214的上方。

如上所述，本发明提供一种高偏振消光比超导纳米线单光子探测器，包括：衬底；高反膜，位于所述衬底表面；超导纳米线，位于所述高反膜的表面；介质层，位于所述高反膜的表面，且包覆所述超导纳米线；光栅结构，位于所述介质层的表面。本发明的高偏振消光比超导纳米线单光子探测器通过在超导纳米线下方设置所述高反膜，可以将光直接耦合到超导纳米线上，可以避免光学腔体结构中远距离聚焦的问题，进而避免了衬底Fabry-Perot腔对吸收效率的影响，且对目标波长具有较高的吸收效率，有效提高了器件探测效率；同时，本发明的高偏振消光比超导纳米线单光子探测器通过在超导纳米线上设置高折射率的光栅结构，具有非目标极化光滤波功能，有效提高器件探测效率及偏振消光比。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。