[发明专利]集成多层光学薄膜的超导TES单光子探测器和制备方法

说明书

本发明公开了一种集成多层光学薄膜的超导TES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。本发明能够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。

技术领域

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(ΔE_FWHM)主要由探测器有效区域的体积(V)和临界温度(T_C)决定：T_C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。

发明内容