[发明专利]一种中红外超导纳米线单光子探测器

权利要求书

1.一种中红外超导纳米线单光子探测器，采用电子束光刻技术和反应离子刻蚀技术，将含Mo、Si非晶或多晶超导薄膜，制成超导纳米线，作为探测器的光敏面；采用中红外光源、可调衰减器、准直器、带通滤波器、稀释制冷机、光敏面、偏置器、放大器和计数器，组成探测器，采用自由空间耦合技术，发射并接收中红外波段的光子，计算单位时间到达光敏面的光子数；

超导薄膜包括衬底、超导纳米层、防氧化层，超导纳米层位于衬底表面，防氧化层位于超导纳米层表面；衬底的厚度为350μm，表面粗糙度RMS1nm，采用硅或氮化硅或氧化硅或氧化镁；超导纳米层的Mo和Si的材料组分比例为80:20，厚度为6.08nm；防氧化层采用电阻率大于10Ω·cm的Nb₅N₆绝缘薄膜，厚度为3nm；

电子束光刻技术采用电子束光刻系统、高分辨率负性电子束抗刻蚀剂和0.1-1.0nA的书写束流，书写超导纳米线图形；抗刻蚀剂的溶质浓度为2％，前烘温度为90℃，烘烤时间为4min，旋涂厚度为20-50nm；电子束光刻系统的电子能量工作在100keV，束斑尺寸为2nm；

反应离子刻蚀技术采用CF₄或SF₆或O₂或CHF₃或Ar或它们的混合气体作为刻蚀气体，将纳米线图形转移至MoSi薄膜上；采用溶质浓度为2.38％的TMAH显影液，将超导纳米线图形在23℃下显影3min，生成超导纳米线，厚度为3-10nm，线宽为20-50nm，周期为50-300nm，形状为蜿蜒结构，光敏面积为1-10000μm²；刻蚀气体采用CF₄，流量为20sccm，气压为1.2Pa，刻蚀功率为50W，刻蚀时间为65s；

其特征在于，包括：

自由空间耦合技术采用中红外光源发射宽谱中红外光子，在自由空间中，经可调衰减器和准直器，由带通滤波器控制入射波长，获得特定波长的中红外光子，耦合进入稀释制冷机窗口，耦合到安装在稀释制冷机内部的光敏面，光斑尺寸不小于光敏面，将中红外光子经过稀释制冷机窗片的透射衰减和光子到达光敏面的耦合损失定义为一个安装在稀释制冷机窗片和探测器之间的固定衰减器，衰减倍率设定为A，探测光子产生的电脉冲信号，经偏置器和放大器，可调衰减器和固定衰减器将单位时间到达光敏面的红外光子数衰减至单光子量级，接入计数器读出光子数。

2.根据权利要求1所述的中红外超导纳米线单光子探测器，其特征在于，所述计算单位时间到达光敏面的光子数，包括：放置功率探头在稀释制冷机最外层窗口位置，紧贴窗口置于光轴上，测量各入射波长的光子在稀释制冷机最外层窗口处的功率，定义为P(λ)；设定光子能量hν，经固定衰减器衰减A到达光敏面，根据公式ρ(λ)＝(P(λ)/hν)×A计算光子密度，定义为ρ(λ)；结合光敏面的面积，估算每秒到达的光子数。

3.根据权利要求1或2所述的中红外超导纳米线单光子探测器，其特征在于，所述探测器，包括：中红外光源采用COOL-RED中红外黑体辐射源，工作温度为1500K，辐射波长覆盖0.5-10μm；采用可调中性密度滤波器，调节辐射光功率大小；带通滤波器的中心置于光轴，紧贴稀释制冷机的最外层窗片，降温至300mK以下；中心波长分别设置为1.55、2.00、2.25、3.00、4.00、4.26和5.07μm，更换滤波片以响应不同入射波长的光子率；采用低噪声电压源串联100kΩ电阻，提供探测器偏置电流；采用增益50dB、带宽1.5GHz、截止频率1MHz的低噪声常温放大器；采用InGaAs光电二极管功率计探头S148C Thorlabs，检测波长为1.55-2.25μm的红外辐射功率；采用HgCdTe积分球光电二极管功率探头S180C Thorlabs，检测波长为3.00-5.07μm的红外辐射功率。