[发明专利]一种集成波导结构光子数分辨超导单光子探测器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种集成波导结构光子数分辨超导单光子探测器，包括衬底和SiO_x波导结构，所述衬底与SiO_x波导之间设置有由若干个单元串联的超导纳米线单光子探测阵列，每个单元由电阻和纳米线并联而成。本发明不仅能够高速探测到波导传输的极微弱光子，并且能够分辨检测到的光子数目，在量子光学芯片领域具有重要应用。本发明的制备方法为：1、在氟化镁衬底上磁控溅射氮化铌超导薄膜；2、光刻和剥离制备电极；3、用电子束光刻制备纳米线图形，并通过反应离子刻蚀获得氮化铌纳米线阵列；4、光刻电阻图案，并通过制备并联电阻；5、用电子束光刻制备波导图形，并通过等离子体增强化学气相沉积淀积SiOx波导。本发明的制备工艺步骤简单，成品率较高。

技术领域

本发明属于超导单光子探测技术领域，特别涉及一种集成波导结构光子数分辨超导单光子探测器及其制备方法。

背景技术

量子光学集成电路主要由单光子源、无源光学元件和单光子探测器组成，是量子通信和量子信息处理中的核心技术，亦构成了线性光学量子计算和全光量子门的基础。利用波导结构将光子耦合到单光子探测器有利于实现量子光学电路的片上集成，从而简化电路复杂度和测量，目前只有边沿转换传感器(TES)和超导单光子探测器(SSPD)采用了波导结构。但是TES是感温探测器，具有较长的恢复时间和较低的探测速度等缺点。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种集成波导结构光子数分辨超导单光子探测器及其制备方法，满足量子光学电路中对光子数分辨和高速应用需求，可用于片上集成的波导耦合结构超导纳米线单光子探测阵列器件，不仅能够高速探测到波导传输的极微弱光信号，并且能够分辨检测到的光子数目。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供一种集成波导结构光子数分辨超导单光子探测器，其特征在于，包括衬底和SiO_x波导结构，所述衬底与SiO_x波导之间设置有由若干个单元串联的超导纳米线单光子探测阵列，每个单元由电阻和纳米线并联而成。

进一步的，所述SiOx波导覆盖所有纳米线。

进一步的，所述超导纳米线单光子探测阵列由若干根总长30-500μm，宽40-120nm的纳米线串联构成，纳米线占空比为20-80％。

进一步的，所述电阻为金属薄膜电阻；所述纳米线为超导纳米线。

进一步的，所述每个电阻阻值均相同为10-500Ω。

进一步的，所述衬底的材料折射率1.40；波导的材料折射率1.44。

一种如上所述的集成波导结构光子数分辨超导单光子探测器的制备方法：

(1)在氟化镁衬底上磁控溅射厚度为4-8nm的氮化铌超导薄膜；

(2)光刻转移电极掩模图案，磁控溅射厚度为120nm的金，并剥离出金电极；

(3)旋涂HSQ电子束光刻胶，用电子束套刻将纳米线图形转移到氮化铌薄膜上，然后采用反应离子刻蚀将多余的氮化铌刻蚀干净，得到超导纳米线阵列；

(4)光刻转移电阻掩模图案，磁控溅射厚度为40nm的钛，并剥离出钛电阻；

(5)旋涂PMMA电子束光刻胶，用电子束套刻将波导图形转移到衬底上，然后采用等离子体增强化学气相沉积淀积厚度200nm的SiOx，并剥离出SiOx波导。

进一步的，所述步骤(5)中等离子体增强化学气相沉积采用50℃低温条件生长。