集成多层光学薄膜的超导TES单光子探测器和制备方法与流程

本发明涉及光探测技术领域，尤其涉及一种可见光/近红外波段光探测技术，具体而言涉及一种集成多层光学薄膜的超导tes单光子探测器和制备方法。

背景技术：

超导相变边缘探测器是一种热探测器，吸收电磁辐射能量后其电子温度升高，从超导态转变为电阻态，在恒压偏置的条件下其电流产生变化，可以实现从毫米波、光学/近红外到x射线、γ射线的高灵敏度探测，广泛应用于天文、量子信息，生物检测等科学领域。光学/近红外波段的光子能量(～ev)远远大于所用超导材料的能隙(～mev)，因此即使吸收一个光子也能使超导tes探测器产生明显的响应，从而实现单光子探测。超导tes单光子探测器具有极低的能量分辨率，能够分辨出吸收的光子数目，使其在量子信息、生物声像和光学/近红外天文领域具有不可替代的作用。

光子数分辨能力主要由超导tes单光子探测器的能量分辨率和待探测的光子能量决定。为了实现光子数可分辨，要求能量分辨率小于光子能量。因此，在波长确定(即光子能量确定)的情况下，需要尽可能降低能量分辨率。超导tes单光子探测器的能量分辨率(δefwhm)主要由探测器有效区域的体积(v)和临界温度(tc)决定：tc主要由所用的超导材料确定，可以通过工艺参数适当调节。此外也可以利用超导/金属双层膜的邻近效应调控临界温度。比如ti/au双层膜的临界温度在0.1～0.4k范围之间可调控。对于临界温度约为100mk的钨超导体，其有效面积可以做到25μm×25μm；而对于临界温度约为300mk的钛超导体，有效面积需要减小到10μm×10μm甚至更小，以保证其能量分辨率小于所探测的光子能量。

超导tes单光子探测器的探测效率主要由耦合效率和吸收效率决定。只要保证从光纤照射出来的光斑完全被超导tes单光子探测器的有效面积盖住，就能实现接近理想的耦合效率。光学耦合效率主要通过将超导薄膜嵌入光学腔体中提高。光学腔体一般由底部的反射镜、超导薄膜和顶部的防反射膜(也叫增透膜)组成。反射镜(包括金属反射镜和介质反射镜)中介质层的厚度为四分之一波长。防反射膜使超导tes单光子探测器与自由空间实现阻抗匹配。通过优化防反射膜中各层薄膜的厚度，超导tes单光子探测器的效率可以提高到90％以上。

例如专利号为cn201410106302.7的发明专利中提供一种降低超导纳米线单光子探测器件非本征暗计数的方法及器件，包括步骤：于所述超导纳米线单光子探测器件上集成多层薄膜滤波器；其中，所述多层薄膜滤波器为通过多层介质薄膜实现的具有带通滤波功能的器件。所述非本征暗计数为由于光纤黑体辐射及外界杂散光触发的暗计数。所述超导纳米线单光子探测器件包括：衬底，其上下表面分别结合上抗反射层和下抗反射层；光学腔体结构；超导纳米线；以及反射镜。通过在超导纳米线单光子探测器件(snspd)的衬底上集成多层薄膜滤波器，将非信号辐射过滤掉，在保证信号辐射和器件的光耦合效率的同时，有效降低非本征暗计数，从而提高器件在特定暗计数条件下的探测效率。

但是在器件制备过程中，在反射镜表面继续生长超导薄膜，其特性受到反射镜材料、表面粗超度、洁净程度、原子扩散等因素影响。作为对比，在双面抛光的硅或者石英基板上直接生长超导薄膜相对容易很多。此外，通过光纤将单光子传输到超导tes单光子探测器，光纤经历常温到低温的连续变温过程，其自身会辐射红外光子。红外光子的吸收会提高超导tes单光子探测器的背景噪声，从而增加暗计数率。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种集成多层光学薄膜的超导相变边缘单光子探测器及其制备方法，通过消除底部反射镜，大大简化超导tes单光子探测器的设计和制备，显著提高超导tes单光子探测器的探测效率，降低暗计数。

为达成上述目的，结合图1，本发明提出一种集成多层光学薄膜的超导相变边缘单光子探测器，所述单光子探测器包括依次层叠的介质基板、第一多层光学薄膜、第二多层光学薄膜，第一多层光学薄膜、第二多层光学薄膜构成用以吸收光子信号的光学腔体；

所述第一多层光学薄膜包括交替层叠的两层金膜和两层钛膜，由下至上分别被定义成第一薄膜、第二薄膜、第三薄膜、第四薄膜，其中附着在介质基板表面的第一薄膜为钛膜，通过调节第二薄膜和第三薄膜的相对厚度以调整单光子探测器的临界温度。

进一步的实施例中，所述第二多层光学薄膜包括交替叠层的sio2薄膜与ta2o5薄膜或交替叠层的sio2薄膜和tio2薄膜。各层厚度通过优化确定，实现目标波长的最大吸收效率，同时能够抑制非目标波长的黑体辐射，降低噪声，从而减小暗计数。

进一步的实施例中，所述介质基板包括硅基板、石英基板、mgo基板、蓝宝石基板和表面热氧化的硅基板中的任意一种。

进一步的实施例中，所述第一薄膜的厚度为5～10nm，本层钛膜的作用是提高后面生长的薄膜粘着度。

进一步的实施例中，所述第二薄膜的厚度为20～80nm，本层金膜的作用是阻止光子信号透射。

进一步的实施例中，所述第三薄膜的厚度为30～60nm，本层钛膜的作用是吸收光子信号并将其转化为电信号。

进一步的实施例中，所述第四薄膜的厚度为5～10nm，本层金膜的作用是保护其下面的钛膜，使其性能保持稳定。

进一步的实施例中，所述第二多层光学薄膜的薄膜层数和每层薄膜的厚度的影响因子包括目标波长第一多层光学薄膜结构参数。

结合图2，本发明还提及了一种集成多层光学薄膜的超导相变边缘单光子探测器的制备方法，所述制备方法包括：

s1：对介质基板双面抛光，以使其表面粗糙度低于预设粗糙度阈值；

s2：在保持高真空的条件下，将第一多层光学薄膜依次沉积在介质基板上；所述第一多层光学薄膜包括交替层叠的两层金膜和两层钛膜，由下至上分别被定义成第一薄膜、第二薄膜、第三薄膜、第四薄膜，其中附着在介质基板表面的第一薄膜为钛膜，通过调节第二薄膜和第三薄膜的相对厚度以调整单光子探测器的临界温度；

s3：将第二多层光学薄膜依次沉积在第四薄膜上表面，使第一多层光学薄膜、第二多层光学薄膜构成用以吸收光子信号的光学腔体。

进一步的实施例中，所述预设粗糙度阈值为1nm。

以上本发明的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于，

(1)通过金钛四层膜，可以实现很好的粘着度，并可调控超导相变边缘单光子探测器的临界温度，从而调节能量分辨率。

(2)通过设置多层光学薄膜，与金钛四层膜形成光学腔体，对目标波长具有较高的吸收效率，从而提高探测器的探测效率。对非目标波长滤波，抑制黑体辐射，降低探测器噪声，从而降低探测器暗计数。

(3)消除底部反射镜，大大简化超导tes单光子探测器的设计和制备，显著提高超导tes单光子探测器的探测效率，降低暗计数，适合推广使用。

(4)通过调节第二薄膜和第三薄膜的相对厚度，有效调整单光子探测器的临界温度。

(5)在保持高真空的条件下连续制备第一多层光学薄膜，确保金层与钛层界面清洁度。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明的集成多层光学薄膜的超导相变边缘单光子探测器的结构示意图。

图2是本发明的集成多层光学薄膜的超导相变边缘单光子探测器的制备方法流程图。

图3是本发明的集成多层光学薄膜的超导相变边缘单光子探测器的吸收效率图。

标号说明：

1-介质基板，2-第一多层光学薄膜，21-钛膜，22-金膜，3-第二多层光学薄膜，31-ta2o5薄膜，32-sio2薄膜。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

结合图1，本发明提及一种集成多层光学薄膜的超导相变边缘单光子探测器，包括：介质基板1；第一多层光学薄膜2，位于介质基板表面；第二多层光学薄膜3，位于第一多层光学薄膜2表面。

所述介质基板1为硅基板，其厚度为300微米，双面抛光，是生长第一多层光学薄膜的载体。当然其他类型的介质基板或者厚度也可能适用于本发明，因此不限定于此处所列举的示例。

所述第一多层光学薄膜2为钛/金/钛/金四层膜，由下至上分别被定义成第一薄膜、第二薄膜、第三薄膜、第四薄膜，在保持高真空的条件下连续制备而成。第一薄膜为钛膜21，厚度为5～10nm，用于提高金膜的粘着度。紧接着生长的第二薄膜为金膜22，厚度在20-80nm之间，用于完全阻止光子透射，起反射镜作用。随后生长的第三薄膜为钛膜21，厚度在30-60nm之间，与前面的第二薄膜(金膜22)之间的界面非常干净，因为邻近效应第二薄膜可以调控第三薄膜(钛膜21)的临界温度，从而实现很高的能量分辨率。最后生长的第四薄膜为金膜22，起保护作用，防止第三薄膜(钛膜21)氧化从而导致性能恶化。作为示例，ti/au/ti/au各层的厚度分别为5/40/40/5nm。为了便于描述，在本发明中，还可以将第一薄膜、第二薄膜、第三薄膜、第四薄膜定义成第一层钛膜、第二层金膜、第三层钛膜、第四层金膜。

所述第二多层光学薄膜3为交替叠层的ta2o5薄膜31和sio2薄膜32。所述ta2o5薄膜31位于第一多层光学薄膜2的表面，所述sio2薄膜32位于ta2o5薄膜31表面。交替叠层的薄膜层数可以根据实际需要进行设定。在本实施例中，多层光学薄膜3的交替叠置的薄膜层数为4层，即包括依次交替叠置的2层ta2o5薄膜31和2层sio2薄膜32。各薄膜层的厚度通过优化设计确定，使其对目标波长实现最大的吸收率，对非目标波长滤波，抑制红外辐射，降低暗计数。作为示例，ta2o5/sio2/ta2o5/sio2各层的厚度分别为188/201/545/1041nm。本发明的集成多层光学薄膜的超导tes单光子探测器的吸收效率如图3所示。由图3可知，本发明的集成多层光学薄膜的超导tes单光子探测器在1550nm波长的较窄范围内具有较高的吸收效率。

下面以其中一种单光子探测器的制备过程和实验过程对本发明单光子探测器的制备方法及工作原理做进一步说明。

1)首先对介质基板双面抛光，以使其表面粗糙度低于预设粗糙度阈值，如低于1nm等，以确保后续沉积在介质基板上的光学腔体特性更优。随后在介质基板上制备第一多层光学薄膜2，第一层钛膜和第四层金膜厚度固定为5nm。第三层钛膜为超导tes单光子探测器的能量吸收区域，其厚度固定为40nm。第二层金膜的厚度选择20～80nm之间(如20、30、40、50、60、70和80nm)，制备一批样品。

2)实验表征样品的临界温度与金膜厚度的相关性，实测结果结合邻近效应理论，推导金膜与钛膜的界面传输系数。根据结果选择临界温度约为200mk的金膜厚度，制备超导tes单光子探测器。

3)根据第一多层光学薄膜2的特性，设计第二多层光学薄膜3，使其在1550nm波长具有很高的吸收效率，远离1550nm工作波长抑制红外辐射，从而确定第二多层光学薄膜3的层数以及各层的厚度。

4)在超导tes单光子探测器表面镀第二多层光学薄膜3，实现高探测效率和低暗计数。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定义在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

虽然本发明以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。