微纳光纤表面制备的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，设计一种超导纳米线单光子探测器，特别是涉及一种微纳光纤表面制备的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(Superconducting Nanowire Single Photon Detector,SNSPD)是一种重要的光探测器，可以实现从可见光到红外波段的单光子探测。SNSPD主要采用低温超导超薄薄膜材料，比如NbN、Nb、NbTiN、WSi等，超导纳米线直接形成于硅或者其它材料衬底(比如MgO、蓝宝石)表面。典型厚度约为5nm～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I_b，I_b略小于器件跳变电流I_sw。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I_b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由衬底弛豫，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。

系统探测效率(System Detection Efficiency,SDE)为SNSPD的主要参数之一，定义为探测器产生的光响应脉冲数与入射光子数的比值，它与系统光耦合效率，超导纳米线的光吸收率以及纳米线的本征效率有关。对量子计算、量子密钥分发、星地通信等应用而言，SDE是SNSPD的一个重要性能指标，SNSPD需要与光学谐振腔、光波导等光学结构集成来提高纳米线的光吸收率，从而提高SDE。现有的光学谐振腔需要与光纤端面进行耦合，为了保证光纤中的光全部被纳米线吸收，纳米线的有效面积必须大于光纤纤芯面积，这在很大程度上限制了SNSPD的速率；另一方面，光学谐振腔仅能针对某一固定波长光提高吸收率，给宽光谱响应SNSPD的研发带来了阻碍。光波导作为一种新型的光耦合结构，使纳米线可以在较短的长度内得到较高的光吸收率，然而，光波导结构与常规光纤的耦合技术问题限制了这种结构获得很好的系统探测效率。

微纳光纤自2003年童利民等提出以来，由于其具有较强的倏逝场、强限制光场以及极轻质量等特点，成为一个新兴的光纤光学分支。微纳光纤是指纤芯直径达到两、三微米至数百纳米尺度的光纤结构，由标准光纤拉制而成，可以实现从标准光纤到微纳尺度结构的高效光传输。微纳光纤在光纤光学、近场光学、非线性光学和量子光学等基础研究领域和微纳尺度的光传输、耦合、调制、谐振、放大和传感器等器件方面都具有潜在的应用价值，吸引了越来越多研究者的注意。然而，目前微纳光纤还没有被应用于超导纳米线单光子探测器。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明提供一种微纳光纤表面制备的超导纳米线单光子探测器，用于解决现有技术中的超导纳米线单光子探测器存在的探测效率较低的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种微纳光纤表面制备的超导纳米线单光子探测器，所述微纳光纤表面制备的超导纳米线单光子探测器包括：微纳光纤及超导纳米线；其中，

所述超导纳米线位于所述微纳光纤表面，且所述超导纳米线的长度方向与所述微纳光纤的长度方向一致。

作为本发明的微纳光纤表面制备的超导纳米线单光子探测器的一种优选方案，所述微纳光纤由单模光纤拉制而成，所述微纳光纤的材料为SiO₂。

作为本发明的微纳光纤表面制备的超导纳米线单光子探测器的一种优选方案，所述微纳光纤的形状为圆柱形或圆锥形，所述微纳光纤端面的直径为0.1微米～3微米。

作为本发明的微纳光纤表面制备的超导纳米线单光子探测器的一种优选方案，所述超导纳米线为直线或折线。

作为本发明的微纳光纤表面制备的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。

作为本发明的微纳光纤表面制备的超导纳米线单光子探测器的一种优选方案，所述超导纳米线的长度为10微米～500微米，宽度为20纳米～300纳米，厚度为3纳米～20纳米。

作为本发明的微纳光纤表面制备的超导纳米线单光子探测器的一种优选方案，所述超导纳米线的根数为1根～20根。

作为本发明的微纳光纤表面制备的超导纳米线单光子探测器的一种优选方案，所述超导纳米线的根数为2根或多根时，两个或多根所述超导纳米线平行间隔分布于所述微纳光纤的表面，且依次串接。

作为本发明的微纳光纤表面制备的超导纳米线单光子探测器的一种优选方案，所述微纳光纤表面制备的超导纳米线单光子探测器还包括衬底，所述衬底的折射率小于所述微纳光纤的折射率；表面形成有所述超导纳米线的所述微纳光纤位于所述衬底的表面。

作为本发明的微纳光纤表面制备的超导纳米线单光子探测器的一种优选方案，所述衬底的材料为MgF₂。

如上所述，本发明的微纳光纤表面制备的超导纳米线单光子探测器，具有以下有益效果：将超导纳米线形成于所述微纳光纤表面，利用微纳光纤在微纳尺度的光传输、耦合特性，可以实现微纳光纤与超导纳米线的直接高效光耦合，提高了超导纳米线单光子探测器的光耦合效率；超导纳米线的有效面积与传统器件相比不受光纤端面尺寸限制，可以减小超导纳米线的长度，从而有效降低超导纳米线单光子探测器的动态电感，进而提高超导纳米线单光子探测器的速率；超导纳米线直接形成于所述微纳光纤的表面，提高了超导纳米线单光子探测器长期工作的稳定性。

附图说明

图1显示为本发明实施例一中提供的微纳光纤表面制备的超导纳米线单光子探测器的结构示意图。

图2显示为图1的右视图。

图3显示为本发明实施例二中听的微纳光纤表面制备的超导纳米线单光子探测器的结构示意图。

图4显示为图3的右视图。

元件标号说明

1 微纳光纤

2 超导纳米线

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1至图2。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。

实施例一

请参阅图1及图2，本发明提供一种微纳光纤表面制备的超导纳米线单光子探测器，所述微纳光纤表面制备的超导纳米线单光子探测器包括：微纳光纤1及超导纳米线2；其中，所述超导纳米线2位于所述微纳光纤1表面，且所述超导纳米线2的长度方向与所述微纳光纤1的长度方向一致。

作为示例，所述微纳光纤1由标准单模光纤拉制而成，所述微纳光纤1的材料为SiO₂。

作为示例，所述微纳光纤1的形状为圆柱形圆锥形，所述微纳光纤1端面的直径为1微米，即所述微纳光纤1的横截面的直径为1微米；所述微纳光纤1的光透过率大于90％。

作为示例，所述超导纳米线2的材料可以包括：NbN、Nb、TaN、MoSi、MoGe、NbTiN或WSi；优选地，本实施例中，所述超导纳米线2的材为NbN。

作为示例，所述超导纳米线2的长度为10微米～500微米，所述超导纳米线2的宽度为20纳米～300纳米，所述超导纳米线2的厚度为3纳米～20纳米；优选地，本实施例中，所述超导纳米线2的长度为50微米，所述超导纳米线2的宽度为100纳米，所述超导纳米线2的厚度为6纳米。

作为示例，所述超导纳米线2的根数为1根～20根；优选地，本实施例中，所述超导纳米线2的根数为3根，如图1及图2所示。所述超导纳米线2平行间隔分布于所述微纳光纤1的表面，且所述超导纳米线2依次串接，呈曲折串联结构。

作为示例，所述超导纳米线2可以为直线，也可以为折线，图1及图2中以所述超导纳米线2为直线作为示例。

作为示例，所述超导纳米线2通过微纳加工工艺制备而成；优选地，本实施例中，首先利用磁控溅射工艺在所述微纳光纤1的表面生长一层NbN超导薄膜；然后利用聚焦离子束刻蚀工艺刻蚀所述NbN超导薄膜以形成所述超导纳米线2。传统工艺中，将光纤与超导纳米线的相对位置需要胶或螺丝进行固定，在长时间工作以及多次制冷机的冷热循环过程中，一旦胶或螺丝部分发生任何问题，都有可能导致光纤的出射偏离超导纳米线的有效区，使得探测器的性能严重下降，而本发明采用磁控溅射工艺与刻蚀工艺相结合将所述超导纳米线2直接形成于所述微纳光纤1的表面，保证了所述超导纳米线单光子探测器长时间工作的稳定性。

作为示例，所述微纳光纤表面制备的超导纳米线单光子探测器还包括衬底(未示出)，所述衬底的折射率小于所述微纳光纤1的折射率，即本实施例中，所述衬底的材料的折射率小于SiO₂的折射率；表面形成有所述超导纳米线2的所述微纳光纤1位于所述衬底的表面，且所述微纳光纤1的表面与所述衬底的表面相接触。具体的，表面形成有所述超导纳米线2的所述微纳光纤1可以通过粘附层粘贴于所述衬底表面，但并不依次为限。

作为示例，所述衬底的材料可以为但不仅限于MgF₂。

本发明的所述超导纳米线单光子探测器的光学吸收结构主要为所述微纳光纤1，光在所述微纳光纤1中传输的过程中被所述微纳光纤1表面的所述超导纳米线2吸收，从而实现单光子探测。由于所述微纳光纤1具有强倏逝场的特点，位于其表面的所述超导纳米线2可以在较短长度内吸收大部分光，保证了所述超导纳米线单光子探测器的高吸收率。较短的纳米线长度意味着较小的动态电感，所述超导纳米线单光子探测器的最大计数率与动态电感直接相关，动态电感越小，最大计数率越大，从而实现使得所述超导纳米线单光子探测器具有高速高效的特点。

实施例二

请参阅图3及图4，本发明还提供一种微纳光纤表面制备的超导纳米线单光子探测器，所述微纳光纤表面制备的超导纳米线单光子探测器与实施例一中所述的微纳光纤表面制备的超导纳米线单光子探测器的结构基本相同，二者的区别在于：实施例一中的所述微纳光纤1的直径为1微米，所述超导纳米线2的数量为3根，所述超导纳米线2的制备方法为使用磁控溅射工艺形成NbN超导薄膜后还需要刻蚀的过程；而本实施例中，所述微纳光纤1的直径为0.1微米，所述超导纳米线的根数为1根，所述超导纳米线2的制备方法为使用磁控溅射工艺在所述微纳光纤1的表面生长NbN超导薄膜，所述NbN超导薄膜的宽度即为100纳米，形成的所述NbN超导薄膜直接作为所述超导纳米线2使用。

综上所述，本发明提供一种微纳光纤表面制备的超导纳米线单光子探测器，，所述微纳光纤表面制备的超导纳米线单光子探测器包括：微纳光纤及超导纳米线；其中，所述超导纳米线位于所述微纳光纤表面，且所述超导纳米线的长度方向与所述微纳光纤的长度方向一致。本发明将超导纳米线形成于所述微纳光纤表面，利用微纳光纤在微纳尺度的光传输、耦合特性，可以实现微纳光纤与超导纳米线的直接高效光耦合，提高了超导纳米线单光子探测器的光耦合效率；超导纳米线的有效面积与传统器件相比不受光纤端面尺寸限制，可以减小超导纳米线的长度，从而有效降低超导纳米线单光子探测器的动态电感，进而提高超导纳米线单光子探测器的速率；超导纳米线直接形成于所述微纳光纤的表面，提高了超导纳米线单光子探测器长期工作的稳定性。

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。