[发明专利]大光敏面超导纳米线单光子探测器

说明书

本发明提供一种大光敏面超导纳米线单光子探测器，包括至少一层超导纳米线结构，超导纳米线结构包括：若干条平行间隔排布的直线部，包括至少两条平行间隔排布的超导纳米线；若干个第一连接部，将直线部依次首尾连接成蜿蜒状；若干个第二连接部，位于直线部内，且位于直线部内平行间隔排布的超导纳米线之间；位于同一直线部内的若干个第二连接部平行间隔排布；沿平行于所述直线部的方向，超导纳米线结构对应于写场拼接处的部分为第二连接部；沿垂直于直线部的方向，超导纳米线结构对应于写场拼接处的部分为相邻直线部之间的间隙。本发明可以避免写场拼接误差对超导纳米线核心区域的影响，从而不可以确保大光敏面超导纳米线单光子探测器的性能。

技术领域

本发明属于光探测技术领域，涉及一种大光敏面超导纳米线单光子探测器，特别是涉及一种大光敏面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 PhotonDetector，SNSPD) 是近年发展起来的新型单光子探测器，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I_b，I_b略小于器件临界电流I_c。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。

大面积单光子探测技术在量子通讯和自由空间耦合技术方面有着广阔的应用前景，尤其是对有着高探测效率，低暗计数，低时间抖动和高计数率特点的大面超导纳米线单光子探测器(SNSPD)。然而由于传统的超导纳米线单光子探测器采用了纳米曲折线结构，纳米线总长度随面积平方量级地增长，动态电感迅速增大，器件的计数率大幅下降。如何提高大面积 SNSPD器件速度成为研究中需要解决的重要问题。

电子束曝光工艺(EBL)是超导纳米线单光子探测器中超导纳米线结构制备的关键工艺。而在大光敏面超导纳米线单光子探测器的制备过程中，大面积超导纳米线结构的制备受限于电子束曝光设备写场的大小，因而需要通过电子束曝光写场拼接的办法实现大面超导纳米线结构的制备。但是，对于传统的超导纳米线单光子探测器而言，电子束曝光写场拼接误差会达到10纳米量级，使得传统的超导纳米线单光子探测器中的超导纳米线在写场拼接处会出现明显的偏移，这将对超导纳米线单光子探测器的性能产生较大的不良影响。

发明内容

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大光敏面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中由于采用单根纳米曲折线结构，在电子束曝光写场拼接的办法制备大面积超导纳米线单光子探测器时存在的由于电子束曝光写场拼接误差会达到10纳米量级，使得传统的超导纳米线单光子探测器中的超导纳米线在写场拼接处会出现明显的偏移，对超导纳米线单光子探测器的性能产生较大的不良影响的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种大光敏面超导纳米线单光子探测器，所述大光敏面超导纳米线单光子探测器包括至少一层超导纳米线结构，所述超导纳米线结构基于电子束曝光工艺进行多次写场拼接曝光而形成，其中，所述超导纳米线结构包括：

若干条平行间隔排布的直线部，所述直线部包括至少两条平行间隔排布的超导纳米线；