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的制作方法
【专利摘要】本发明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短波通多层薄膜滤波器；其中，所述短波通多层薄膜滤波器为通过多层介质薄膜实现的具有短波通滤波功能的器件。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。本发明操作简单，仅需在衬底上集成短波通多层薄膜滤波器，将非信号辐射过滤掉，该方法可以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，另外，只需要过滤波长范围大于1550nm的光波，降低了设计要求，有利于滤波器的实现。
【专利说明】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
【技术领域】
[0001] 本发明属于光探测【技术领域】，特别是涉及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。
【背景技术】
[0002] 超导纳米线单光子探测器件（Superconducting Nanowire Single Photon Detector，SNSPD)是一种重要的光探测器，可以实现从可见光到红外波段的单光子探测。 SNSH)主要采用低温超导超薄薄膜材料，比如NbN、Nb、TaN、NbTiN、WSi等。典型厚度约为 5-10nm，器件通常采用100nm左右宽度的曲折纳米线结构。现有的一种超导纳米线单光子 探测器件结构如图1所示，其包括上下表面均具有抗反射层的衬底20?40、光学腔体结构 50、超导纳米线60、以及反射镜70等。
[0003] SNSH)工作时置于低温环境中（〈4K)，器件处于超导态，并加以一定的偏置电流Ib， Ib略小于器件临界电流I。。当单个光子入射到器件中的纳米线条上时，会拆散库珀对，形成 大量的热电子，从而形成局域热点，热点在偏置电流I b的作用下由于焦耳热进行扩散，最终 使得纳米线条局部失超形成有阻区。之后热电子能量通过电声子相互作用传递并弛豫，再 重新配对成超导态的库珀对。由于超导材料的热弛豫时间很短，因此当SNsro接收到单个 光子后，就会在器件两端产生一个快速的电脉冲信号，从而实现单光子的探测功能。
[0004] 暗计数是单光子探测器的主要参数之一。它是指与信号光子无关的错误计数。 SNsro暗计数的来源包括两个方面。一个是SNsro纳米线磁通涡旋运动引起的暗计数，这部 分被称为本征暗计数。本征暗计数和器件工作电流有关，仅在工作电流非常接近临界电流 时才产生，且计数率和偏置电流呈指数关系。其它非信号光子触发的SNsro计数被统称非 本征暗计数。包括以下几个可能：（1)光纤材料本身的热辐射引入的暗计数；（2)SNsro在工 作时，工作环境各种光（热）福射会有少量透过光纤包覆层进入光纤作为杂散光触发SNSPD 计数。非本征暗计数可等效为一定量的光子辐射，其引入的暗计数和探测器的探测效率成 正比。暗计数对于很多单光子探测应用至关重要。特别是对于长距离光纤量子通信来说， 暗计数的水平，是决定其成码信噪比以及通信距离的关键参数。目前尚没有根本解决本征 暗计数的有效办法，通常采用降低SNsro偏置电流的手段。在这种条件下，非本征暗计数就 起到了决定性的影响。日本Shibata等人提出了低温下在光纤中引入光纤滤波器的方法， 可以有效的降低非本征暗计数。但是同时也对信号光产生了明显的衰减（约3dB)，直接影 响了器件的探测效率。
[0005] 目前也有其他的滤波方式，但都具有器件设计要求过于复杂，从而不利于滤波器 的实现及成本降低的缺点。
【发明内容】
[0006] 鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于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，用于解决现有技术中由于非本征暗计数而导致纳 米线单光子探测器件性能下降或解决目前的滤波器设计过于复杂的问题。
[0007] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明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，包括步骤：
[0008] 于所述超导纳米线单光子探测器件上集成短波通多层薄膜滤波器；
[0009] 其中，所述短波通多层薄膜滤波器为通过多层介质薄膜实现的具有短波通滤波功 能的器件。
[0010] 作为本发明的降低超导纳米线单光子探测器件非本征暗计数的方法的一种优选 方案，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。
[0011] 作为本发明的降低超导纳米线单光子探测器件非本征暗计数的方法的一种优选 方案，所述短波通多层薄膜滤波器对于工作波长1550nm处的光具有通带功能，允许99 % 以上通过，且能1 %以下过滤波长范围大于1550nm的光波的滤波器，同时对于波长小于 1550nm的光不作滤波和通带要求。
[0012] 作为本发明的降低超导纳米线单光子探测器件非本征暗计数的方法的一种优选 方案，所述超导纳米线单光子探测器件包括：
[0013] 衬底，结合于所述短波通多层薄膜滤波器表面，所述衬底的上下表面分别结合有 上抗反射层及下抗反射层；
[0014] 光学腔体结构，结合于所述衬底的上抗反射层表面；
[0015] 超导纳米线，结合于所述衬底的上抗反射层与光学腔体结构之间；
[0016] 反射镜，结合于所述光学腔体结构表面。
[0017] 进一步地，所述衬底为硅衬底、MgO衬底或蓝宝石衬底，所述光学腔体结构的材料 为二氧化硅或一氧化硅，所述上抗反射层、下抗反射层的材料为二氧化硅或一氧化硅，所述 超导纳米线的材料为NbN、Nb、TaN、NbTiN或WSi，所述反射镜的材料为Ag、Au或A1等。
[0018] 作为本发明的降低超导纳米线单光子探测器件非本征暗计数的方法的一种优选 方案，所述短波通多层薄膜滤波器包括交替层叠的二氧化硅层及硅层、交替层叠的一氧化 硅层及硅层或交替层叠的二氧化硅层及一氧化硅层中的一种。
[0019] 本发明还提供一种集成短波通多层薄膜滤波器的超导纳米线单光子探测器件，包 括：
[0020] 超导纳米线单光子探测器件；
[0021] 短波通多层薄膜滤波器，集成于所述超导纳米线单光子探测器件，所述短波通多 层薄膜滤波器为通过多层介质薄膜实现的具有短波通滤波功能的器件。
[0022] 作为本发明的集成短波通多层薄膜滤波器的超导纳米线单光子探测器件的一种 优选方案，所述短波通多层薄膜滤波器对于工作波长1550nm处的光具有通带功能，允许 99%以上通过，且能1%以下过滤波长范围大于1550nm的光波的滤波器，同时对于波长小 于1550nm的光不作滤波和通带要求。
[0023] 作为本发明的集成短波通多层薄膜滤波器的超导纳米线单光子探测器件的一种 优选方案，所述超导纳米线单光子探测器件包括：
[0024] 衬底，结合于所述短波通多层薄膜滤波器表面，所述衬底的上下表面分别结合有 上抗反射层及下抗反射层；
[0025] 光学腔体结构，结合于所述衬底的上抗反射层表面；
[0026] 超导纳米线，结合于所述衬底的上抗反射层与光学腔体结构之间；
[0027] 反射镜，结合于所述光学腔体结构表面。
[0028] 作为本发明的集成短波通多层薄膜滤波器的超导纳米线单光子探测器件的一种 优选方案，所述衬底为硅衬底、MgO衬底、蓝宝石衬底，所述光学腔体结构的材料为二氧化硅 或一氧化硅，所述上抗反射层、下抗反射层的材料为二氧化硅或一氧化硅，所述超导纳米线 的材料为NbN、Nb、TaN、NbTiN或WSi，所述反射镜的材料为Ag、Au或A1等。
[0029] 作为本发明的集成短波通多层薄膜滤波器的超导纳米线单光子探测器件的一种 优选方案，所述短波通多层薄膜滤波器包括交替层叠的二氧化硅层及硅层、交替层叠的一 氧化硅层及硅层、及交替层叠的二氧化硅层及一氧化硅层中的一种。
[0030] 如上所述，本发明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短波通多层薄膜滤波器；其 中，所述短波通多层薄膜滤波器为通过多层介质薄膜实现的具有短波通滤波功能的器件。 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，结合于所述短波通多层薄膜滤波器表面，所述衬底的上下表面分别 结合有上抗反射层及下抗反射层；光学腔体结构，结合于所述衬底的上抗反射层表面；超 导纳米线，结合于所述衬底的上抗反射层与光学腔体结构之间；反射镜，结合于所述光学腔 体结构表面。本发明操作简单，仅需在超导纳米线单光子探测器件（sNsro)的衬底上集成 短波通多层薄膜滤波器，将非信号辐射过滤掉，该方法可以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，另 夕卜，只需要过滤波长范围大于1550nm的光波，降低了设计要求，有利于滤波器的实现。
【专利附图】
【附图说明】
[0031] 图1显示为现有的一种超导纳米线单光子探测器件的结构示意图。
[0032] 图2显示为本发明的集成短波通多层薄膜滤波器的超导纳米线单光子探测器件 的结构示意图。
[0033] 元件标号说明
[0034] 10短波通多层薄膜滤波器
[0035] 101二氧化硅层
[0036] 102 硅层
[0037] 20 衬底
[0038] 30下抗反射层
[0039] 40上抗反射层
[0040] 50光学腔体结构
[0041] 60超导纳米线
[0042] 70反射镜
【具体实施方式】
[0043] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书 所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实 施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离 本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0044] 请参阅图2。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的 基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状 及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局 型态也可能更为复杂。
[0045] 如图2所示，本实施例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，包括步骤：
[0046] 于所述超导纳米线单光子探测器件上集成短波通多层薄膜滤波器10 ;
[0047] 其中，所述短波通多层薄膜滤波器10为通过多层介质薄膜实现的具有短波通滤 波功能的器件。
[0048] 作为示例，所述非本征暗计数为由于光纤黑体辐射及外界杂散光等原因所触发的 暗计数。
[0049] 作为示例，所述短波通多层薄膜滤波器对于工作波长1550nm处的光具有通带功 能，允许99%以上通过，且能1 %以下过滤波长范围大于1550nm的光波的滤波器，同时对于 波长小于1550nm的光不作滤波和通带要求。
[0050] 作为示例，所述超导纳米线单光子探测器件包括：
[0051 ] 衬底20,结合于所述短波通多层薄膜滤波器10表面，所述衬底20的上下表面分别 结合有上抗反射层40及下抗反射层30 ;
[0052] 光学腔体结构50,结合于所述衬底20的上抗反射层40表面；
[0053] 超导纳米线60,结合于所述衬底20的上抗反射层40与光学腔体结构50之间；
[0054] 反射镜70,结合于所述光学腔体结构50表面。
[0055] 进一步地，所述光学腔体结构50的材料为二氧化硅或一氧化硅，上抗反射层40及 下抗反射层30为二氧化硅，所述衬底20为硅衬底、MgO衬底、蓝宝石衬底，所述上抗反射层 40、下抗反射层30的材料为二氧化硅或一氧化硅，所述超导纳米线60的材料为NbN、Nb、 TaN、NbTiN或WSi，所述反射镜70的材料为Ag、Au或A1等。当然，上述的几种示例仅为本 发明的几种优选的方案，在其它的实施例中，其它的材料类型也可能适用，因此，并不限定 于以上所列举的几种示例。
[0056] 在本实施例中，所述光学腔体结构50的材料为一氧化硅，其厚度为器件所探测的 光的波长的四分之一。
[0057] 所述超导纳米线60的材料为NbN，其宽度为100纳米，厚度为7纳米，周期为200 纳米，并且，所述超导纳米线60呈曲折蜿蜒结构。当然，在其它的实施例中，所述超导纳米 线60的材料、尺寸和形状均可依据实际需求进行改变，并不限于此处所列举的情况。
[0058] 所述反射镜70的材料为Ag，其厚度为130纳米。当然，其它种类的反射材料及厚 度也适用于本发明，并不限定于此。另外，上述的超导纳米线单光子探测器件仅为本实施例 的一种优选方式，本实施例的短波通多层薄膜滤波器10对其它结构的超导纳米线单光子 探测器件同样适用。
[0059] 作为示例，所述短波通多层薄膜滤波器10包括交替层叠的二氧化硅层101及硅层 102、交替层叠的一氧化硅层及硅层或交替层叠的二氧化硅层及一氧化硅层中的一种。在本 实施例中，所述短波通多层薄膜滤波器10包括交替层叠的二氧化硅层101及硅层102,并 且，一共具有16层二氧化硅层101及16层硅层102,为共32层的多层薄膜。当然，在其它 的实施例中，其它种类的具有短波通滤波功能的多层薄膜均可适用。
[0060] 如图2所示，本实施例还提供一种集成短波通多层薄膜滤波器10的超导纳米线单 光子探测器件，包括：
[0061] 超导纳米线单光子探测器件；
[0062] 短波通多层薄膜滤波器10,集成于所述超导纳米线单光子探测器件，所述短波通 多层薄膜滤波器10为通过多层介质薄膜实现的具有短波通滤波功能的器件。
[0063] 作为示例，所述短波通多层薄膜滤波器对于工作波长1550nm处的光具有通带功 能，允许99%以上通过，且能1 %以下过滤波长范围大于1550nm的光波的滤波器，同时对于 波长小于1550nm的光不作滤波和通带要求。
[0064] 作为示例，所述超导纳米线单光子探测器件包括：
[0065] 衬底20,结合于所述短波通多层薄膜滤波器10表面，所述衬底20的上下表面分别 结合有上抗反射层40及下抗反射层30 ;
[0066] 光学腔体结构50,结合于所述衬底20的上抗反射层40表面；
[0067] 超导纳米线60,结合于所述衬底20的上抗反射层40与光学腔体结构50之间；
[0068] 反射镜70,结合于所述光学腔体结构50表面。
[0069] 进一步地，所述光学腔体结构50的材料为二氧化硅或一氧化硅，所述衬底20为硅 衬底、MgO衬底、蓝宝石衬底，所述上抗反射层40、下抗反射层30的材料为二氧化硅或一氧 化硅，所述超导纳米线60的材料为NbN、Nb、TaN、NbTiN或WSi，所述反射镜70的材料为Ag、 Au或A1等。当然，上述的几种示例仅为本发明的几种优选的方案，在其它的实施例中，其它 的材料类型也可能适用，因此，并不限定于以上所列举的几种示例。
[0070] 在本实施例中，所述光学腔体结构50的材料为一氧化硅，其厚度为器件所探测的 光的波长的四分之一。
[0071] 所述超导纳米线60的材料为NbN，其宽度为100纳米，厚度为7纳米，周期为200 纳米，并且，所述超导纳米线60呈曲折蜿蜒结构。当然，在其它的实施例中，所述超导纳米 线60的材料、尺寸和形状均可依据实际需求进行改变，并不限于此处所列举的情况。
[0072] 所述反射镜70的材料为Ag，其厚度为130纳米。当然，其它种类的反射材料及厚 度也适用于本发明，并不限定于此。另外，上述的超导纳米线单光子探测器件仅为本实施例 的一种优选方式，本实施例的短波通多层薄膜滤波器10对其它结构的超导纳米线单光子 探测器件同样适用，并不限定于此处所列举的几种。
[0073] 作为示例，所述短波通多层薄膜滤波器10包括交替层叠的二氧化硅层101及硅层 102、交替层叠的一氧化硅层及硅层或交替层叠的二氧化硅层及一氧化硅层中的一种。在本 实施例中，所述短波通多层薄膜滤波器10包括交替层叠的二氧化硅层101及硅层102,并 且，一共具有16层二氧化硅层101及16层硅层102,为共32层的多层薄膜。当然，在其它 的实施例中，其它种类的具有短波通滤波功能的多层薄膜均可适用，并不限定于此处所列 举的几种。
[0074] 如上所述，本发明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短波通多层薄膜滤波器10 ; 其中，所述短波通多层薄膜滤波器10为通过多层介质薄膜实现的具有短波通滤波功能的 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20,结合于所述短波通多层薄膜滤波器10表面，所述衬底20 的上下表面分别结合有上抗反射层40及下抗反射层30 ;光学腔体结构50,结合于所述衬底 20的上抗反射层40表面；超导纳米线60,结合于所述衬底20的上抗反射层40与光学腔 体结构50之间；反射镜70,结合于所述光学腔体结构50表面。本发明操作简单，仅需在超 导纳米线单光子探测器件（SNSH))的衬底上集成短波通多层薄膜滤波器，将非信号辐射过 滤掉，该方法可以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，另外，只需要过滤波长范围大于1550nm的光 波，降低了设计要求，有利于滤波器的实现。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺 点而具高度产业利用价值。
[0075] 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟 悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因 此，举凡所属【技术领域】中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完 成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
【权利要求】
1. 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，其特征在于，包括步 骤： 于所述超导纳米线单光子探测器件上集成短波通多层薄膜滤波器； 其中，所述短波通多层薄膜滤波器为通过多层介质薄膜实现的具有短波通滤波功能的 器件。
2. 根据权利要求1所述的降低超导纳米线单光子探测器件非本征暗计数的方法，其特 征在于：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。
3. 根据权利要求1所述的降低超导纳米线单光子探测器件非本征暗计数的方法，其特 征在于：所述短波通多层薄膜滤波器对于工作波长1550nm处的光具有通带功能，允许99 % 以上通过，且能1 %以下过滤波长范围大于1550nm的光波的滤波器，同时对于波长小于 1550nm的光不作滤波和通带要求。
4. 根据权利要求1所述的降低超导纳米线单光子探测器件非本征暗计数的方法，其特 征在于，所述超导纳米线单光子探测器件包括： 衬底，结合于所述短波通多层薄膜滤波器表面，所述衬底的上下表面分别结合有上抗 反射层及下抗反射层； 光学腔体结构，结合于所述衬底的上抗反射层表面； 超导纳米线，结合于所述衬底的上抗反射层与光学腔体结构之间； 反射镜，结合于所述光学腔体结构表面。
5. 根据权利要求4所述的降低超导纳米线单光子探测器件非本征暗计数的方法，其特 征在于：所述衬底为硅衬底、MgO衬底、蓝宝石衬底，所述光学腔体结构的材料为二氧化硅 或一氧化硅，所述上抗反射层、下抗反射层的材料为二氧化硅或一氧化硅，所述超导纳米线 的材料为NbN、Nb、TaN、NbTiN或WSi，所述反射镜的材料为Ag、Au或A1。
6. 根据权利要求1所述的降低超导纳米线单光子探测器件非本征暗计数的方法，其特 征在于：所述短波通多层薄膜滤波器包括交替层叠的二氧化硅层及硅层、交替层叠的一氧 化硅层及硅层或交替层叠的二氧化硅层及一氧化硅层中的一种。
7. -种集成短波通多层薄膜滤波器的超导纳米线单光子探测器件，其特征在于，包 括： 超导纳米线单光子探测器件； 短波通多层薄膜滤波器，集成于所述超导纳米线单光子探测器件，所述短波通多层薄 膜滤波器为通过多层介质薄膜实现的具有短波通滤波功能的器件。
8. 根据权利要求7所述的集成短波通多层薄膜滤波器的超导纳米线单光子探测器件， 其特征在于：所述短波通多层薄膜滤波器对于工作波长1550nm处的光具有通带功能，允许 99%以上通过，且能1 %以下过滤波长范围大于1550nm的光波的滤波器，同时对于波长小 于1550nm的光不作滤波和通带要求。
9. 根据权利要求7所述的集成短波通多层薄膜滤波器的超导纳米线单光子探测器件， 其特征在于：所述超导纳米线单光子探测器件包括： 衬底，结合于所述短波通多层薄膜滤波器表面，所述衬底的上下表面分别结合有上抗 反射层及下抗反射层； 光学腔体结构，结合于所述衬底的上抗反射层表面； 超导纳米线，结合于所述衬底的上抗反射层与光学腔体结构之间； 反射镜，结合于所述光学腔体结构表面。
10. 根据权利要求9所述的集成短波通多层薄膜滤波器的超导纳米线单光子探测器 件，其特征在于：所述衬底为硅衬底、MgO衬底、蓝宝石衬底，所述光学腔体结构的材料为二 氧化硅或一氧化硅，所述上抗反射层、下抗反射层的材料为二氧化硅或一氧化硅，所述超导 纳米线的材料为NbN、Nb、TaN、NbTiN或WSi，所述反射镜的材料为Ag、Au或A1。
11. 根据权利要求7所述的集成短波通多层薄膜滤波器的超导纳米线单光子探测器 件，其特征在于：所述短波通多层薄膜滤波器包括交替层叠的二氧化硅层及硅层、交替层叠 的一氧化硅层及硅层、及交替层叠的二氧化硅层及一氧化硅层中的一种。
【文档编号】H01L31/18GK104064631SQ201410334717
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年7月15日 优先权日:2014年7月15日
【发明者】尤立星, 李 浩, 王镇 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所