[发明专利]一种中红外超导纳米线单光子探测器有效
申请号: | 202110042317.1 | 申请日: | 2021-01-13 |
公开(公告)号: | CN112798116B | 公开(公告)日: | 2022-03-18 |
发明(设计)人: | 张蜡宝;陈奇;葛睿;李飞燕;张彪;靳飞飞;韩航;康琳;吴培亨 | 申请(专利权)人: | 南京大学 |
主分类号: | G01J11/00 | 分类号: | G01J11/00;H01L39/12;B82Y30/00;B82Y40/00 |
代理公司: | 南京知识律师事务所 32207 | 代理人: | 康翔 |
地址: | 210023 江苏*** | 国省代码: | 江苏;32 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 一种 红外 导纳 米线 光子 探测器 | ||
本发明公开了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,实现了中红外SNSPD的有效制备;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,有效解决了光纤耦合中红外SNSPD的难题;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,为有效计算中红外SNSPD量子探测效率奠定了基础。
技术领域
本发明涉及一种光子探测技术领域,具体涉及一种红外光子探测技术。
背景技术
中红外辐射被定义为波长处于2.5-25μm或400-4000cm-1波数的电磁波,中红外单光子探测技术是红外领域的关键技术之一。许多生物分子所辐射的荧光波长均处于中红外波段上,且信号极其微弱,几乎达到单光子量级。在红外天文探测领域,国际上在建的最新式红外天文望远镜,如“起源号”天文望远镜,对中红外探测器的噪声等效功率要求提高到了10-25W/Hz1/2量级。由此可知,中红外单光子探测器在生物分子光谱分析、化学研究、天文观测等诸多领域中,具有极其重要的应用价值和可观的发展前景。
传统的半导体单光子探测器,如Si PMT,仅能工作在可见光波长范围内。Si SPADs和InGaAs SPADs的工作截止波长,虽然可扩展至近红外,但是探测效率都不高,且暗噪声较大。第三代半导体光电探测器HgCdTe、量子阱和Ⅱ类超晶格,虽然可工作在中波红外,甚至长波红外上,但是难以实现单光子探测。频率上转换单光子探测器,虽然可以将中红外光子进行倍频,使其波长转变为近红外,再采用系统集成的雪崩光电二极管,如InGaAs SPAD,探测单光子的效率可达20%,但是背景噪声大。
在过去20年的时间里,超导纳米线单光子探测器,superconducting nanowiresingle photon detector,简称SNSPD,在紫外到近红外的谱段上展现了十分优越的工作性能:探测效率高,98%@1.55μm通讯波长;响应速度快,几十MHz甚至更快;噪声,即暗计数低,10-3Hz;时间精度高,3ps。这使SNSPD在量子光学、卫星激光雷达测距、深空通信、量子密钥分发、贝尔不等式验证等科学领域,具有极其重要的应用价值。
由于SNSPD的超导能隙较低,一般为几个meV,其响应波长最长可扩展至太赫兹波段,在中红外单光子应用,如生物荧光光谱检测、天文探索等领域,同样存在极大的应用潜力。虽然近年来SNSPD在中红外探测领域崭露头角,但相关技术仍然不够成熟,需要不断地丰富和发展,如材料、结构等。相比于近红外光子,中红外光子能量更低,要获得较高的探测效率和灵敏度更加困难,限制了SNSPD在中红外探测领域的发展。如何有效提高中红外SNSPD的量子效率和灵敏度,是中红外超导单光子探测器领域的一大难点。
超导纳米线响应中红外单光子的阈值模型为其中N为一个中红外光子实际破坏超导纳米线上超导库珀对的数量,Eλ为被纳米线吸收的中红外单光子能量,f(△)为与超导能隙成正相关的变量因子,L为准粒子扩散长度,wd为纳米线的截面积大小,n0为零偏置电流下的超导电子密度,IB和IC分别为纳米线的偏置电流和超导临界电流,α为常数因子。在不同的光响应模型下,如“热点”模型、扩散“热点”模型、磁通穿越模型以及磁通成核模型,α具有不同的数值。>符号的右边表示导致超导纳米线发生完全超导相变所需要破坏的超导库珀对数量,可知提高中红外SNSPD光子响应灵敏度的有效方法,可从以下几个方面展开。
1.采用低能隙超导材料以减小f(△),使一定能量的红外光子可以破坏超导纳米线上更多的库珀对,产生有阻态的准粒子,目前用于制备中红外SNSPD制的超导薄膜仅有NbN、WSi和NbTiN。
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