[发明专利]一种工作在双波段的超导纳米线单光子探测器

说明书

本发明公开了一种工作在双波段的超导纳米线单光子探测器，包括：光敏区线宽为预设纳米的4级级联的分形光敏区结构；构建由上到下依次为金层、第一二氧化硅层、硅层、第二二氧化硅层、分形纳米线层、第三二氧化硅层、硅衬底层组成的腔体结构；对第一二氧化硅层、硅层与第二二氧化硅层的三层厚度进行调控，直到谐振波长偏移至所需要的吸收增强的两个波段。本发明通过对窄带光学腔体结构的改进，在双波段下实现光子吸收的增强；并利用4级级联的窄线宽分形纳米线结构，提高器件的内量子效率与探测信号的信噪比。

技术领域

本发明涉及超导纳米线单光子探测器领域，尤其涉及一种工作在双波段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(SNSPDs)在单光子探测领域具有多种优良性能：高效率(在1550纳米波长处系统探测效率93％)，低时域抖动(小于20皮秒)，低暗记数率(1个每秒)。因而，SNSPDs在量子光学基本原理测试、量子密钥分发、太空地面远距离通信中得到了广泛应用。

由于单光子的能量(约1电子伏特量级)远大于如氮化铌、氮化钛铌等超导材料的带隙能量(约毫电子伏特量级)，SNSPDs本身就是具有从紫外到红外宽谱响应的探测器。上述应用为了在特定波长下增强光学吸收，SNSPDs表面需要添加了窄带的光学谐振腔，但窄带的光学谐振腔同时也会抑制其他波长下的光学吸收，从而限制了SNSPDs在多波段下的应用，如多波长测距、多光谱成像等。

目前实现多波段下高系统探测效率的方案是利用双层分布式布拉格反射镜结构，在回形的纳米线结构上实现了1064纳米、1300纳米、1550纳米大于80％的吸收效率，但此种结构需要通过离子束辅助溅射20层厚度具有纳米精度要求的周期性结构，加工较为复杂。

此外，由于该方案中光敏区采用80纳米线宽的回形纳米线结构，在1550纳米波长下并未实现内量子效率的完全饱和，限制了长波段下的系统探测效率。

发明内容

本发明提供了一种工作在双波段的超导纳米线单光子探测器，本发明通过对窄带光学腔体结构的改进，在双波段下实现光子吸收的增强；并利用4级级联的窄线宽分形纳米线结构，提高器件的内量子效率与探测信号的信噪比，详见下文描述：

一种工作在双波段的超导纳米线单光子探测器，包括：

光敏区线宽为预设纳米的4级级联的分形光敏区结构；

构建由上到下依次为金层、第一二氧化硅层、硅层、第二二氧化硅层、分形纳米线层、第三二氧化硅层、硅衬底层组成的腔体结构；

对第一二氧化硅层、硅层与第二二氧化硅层的三层厚度进行调控，直到谐振波长偏移至所需要的吸收增强的两个波段。

其中，所述分形光敏区结构具体为：中心的正方形区域为具有预设纳米线宽的4级级联分形结构构成的光敏区域，光敏区域两边串联纳米线，该纳米线用于增大电路的串联电感，防止器件出现闭锁。

进一步地，超导纳米线在波长1300纳米处与波长1550纳米处的光吸收同时增强至80％以上的腔体结构，并将对应腔体结构加工于分形光敏区结构。

其中，所述超导纳米线单光子探测器还包括：

利用电子束曝光与反应离子刻蚀技术对第三二氧化硅层上的氮化钛铌薄膜进行加工，可加工出对应的分形光敏区结构。

进一步地，所述超导纳米线单光子探测器还包括：

使用等离子体增强化学的气相沉积法在制作完成的分形光敏区结构上方依次沉积第二二氧化硅层、硅层、第一二氧化硅层；

使用蒸镀或溅射法在第一二氧化硅层上方制备金层，随后使用电感耦合等离子体刻蚀出由金层、第一二氧化硅层、硅层、第二二氧化硅层组成的上层谐振腔。

进一步地，所述超导纳米线单光子探测器还包括：