一种基于超导纳米线的高偏振比单光子探测器的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种基于超导纳米线的高偏振比单光子探测器，包括：衬底；抗反射层，结合于所述衬底表面；超导纳米线，呈周期性蜿蜒结构结合于所述抗反射层表面，所述超导纳米线的宽度为不大于75纳米，厚度为不小于7纳米，占空比为不大于40%。本发明通过调整单光子探测器的超导纳米线的宽度、厚度以及占空比，实现了单光子探测器较大的偏振比，相比于传统的偏振探测器件具有体积小、结构简单、灵敏度高、暗计数低等优点，无需要外部集成偏振器件等优势。
【专利说明】一种基于超导纳米线的高偏振比单光子探测器
【技术领域】
[0001] 本发明属于光探测【技术领域】，涉及一种超导纳米线单光子探测器，特别是涉及一 种基于超导纳米线的高偏振比单光子探测器。
【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。
[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] 目前，超导纳米线单光子探测技术是近红外波段综合性能较好的单光子探测技 术，在量子通信、深空通信、激光雷达、光纤传感以及生物荧光光谱等领域具有重要的应用 前景。
[0005] 相比与半导体单光子探测器，比如光电倍增管以及雪崩光电二极管，超导纳米线 单光子探测器具有一个重要的特性：即纳米线光栅结构的各向异性，对于不同偏振方向的 光在吸收效率上具有较大的差异。目前的超导纳米线单光子探测器件SNsro主要采用低温 超导超薄薄膜材料，比如NbN、Nb、TaN、NbTiN、WSi等，为了保证器件对光子的响应，现有的 超导纳米线单光子探测器所采用的厚度约为4-6nm，宽度为100nm左右蜿蜒结构的纳米线 结构。但是，这种结构的超导纳米线单光子探测器件的偏振比非常低，不适用于要求高偏振 比的单光子探测应用场合。
[0006] 另外，现有的偏振传感器包括CMOS传感器、C⑶传感器等，其自身不具备偏振功 能，因而，采用这些器件制作偏振传感器时，需要在其外部集成光栅或偏振控制器等器件， 工艺和结构均较为复杂，而且占用的体积较大，不利于集成度的提高。
[0007] 因此，为了满足偏振敏感的单光子探测应用需求，提供一种具有较高偏振比的超 导纳米线单光子探测器实属必要。
【发明内容】
[0008] 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基于超导纳米线的高 偏振比单光子探测器，用于解决现有技术中超导纳米线单光子探测器的偏振比较低、或其 它偏振探测器件结构复杂、体积过大的问题。
[0009] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于超导纳米线的高偏振比单 光子探测器，包括：
[0010] 衬底； toon] 抗反射层，结合于所述衬底表面；
[0012] 超导纳米线，呈周期性蜿蜒结构结合于所述抗反射层表面，所述超导纳米线的宽 度为不大于75纳米，厚度为不小于7纳米，占空比为不大于40%。
[0013] 作为本发明的基于超导纳米线的高偏振比单光子探测器的一种优选方案，所述呈 超导纳米线的宽度为不大于75纳米，厚度为不小于7纳米，占空比为不大于40%。
[0014] 作为本发明的基于超导纳米线的高偏振比单光子探测器的一种优选方案，所述单 光子探测器的偏振比随所述超导纳米线的宽度增加而降低，随厚度增加而增大。
[0015] 作为本发明的基于超导纳米线的高偏振比单光子探测器的一种优选方案，所述呈 周期性蜿蜒结构的超导纳米线的每个折弯处均为直角或U形拐角。
[0016] 作为本发明的基于超导纳米线的高偏振比单光子探测器的一种优选方案，所述衬 底包括硅衬底、MgO衬底或蓝宝石衬底，所述抗反射层的材料为二氧化硅，所述超导纳米线 的材料为 NbN、Nb、TaN、NbTiN 或 WSi。
[0017] 本发明还提供一种基于超导纳米线的高偏振比单光子探测器，包括：
[0018] 衬底，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；
[0019] 光学腔体结构，结合于所述上抗反射层表面；
[0020] 反射镜，结合于所述光学腔体结构表面；
[0021] 超导纳米线，呈周期性蜿蜒结构结合于所述上抗反射层与光学腔体结构之间，所 述超导纳米线的宽度为不大于75纳米，厚度为不小于7纳米，占空比为不大于40%。
[0022] 作为本发明的基于超导纳米线的高偏振比单光子探测器的一种优选方案，所述单 光子探测器的偏振比随所述超导纳米线的宽度增加而降低，随厚度增加而增大。
[0023] 作为本发明的基于超导纳米线的高偏振比单光子探测器的一种优选方案，所述呈 超导纳米线的宽度为不大于75纳米，厚度为不小于7纳米，占空比为不大于40%。
[0024] 作为本发明的基于超导纳米线的高偏振比单光子探测器的一种优选方案，所述呈 周期性蜿蜒结构的超导纳米线的每个折弯处均为直角或U形拐角。
[0025] 作为本发明的基于超导纳米线的高偏振比单光子探测器的一种优选方案，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。
[0026] 综上所述，本发明提供一种基于超导纳米线的高偏振比单光子探测器，包括：衬 底；抗反射层，结合于所述衬底表面；超导纳米线，呈周期性蜿蜒结构结合于所述抗反射 层表面，所述超导纳米线的宽度为不大于75纳米，厚度为不小于7纳米，占空比为不大于 40%。本发明通过调整单光子探测器的超导纳米线的宽度、厚度以及占空比，实现了单光子 探测器较大的偏振比，相比于传统的偏振探测器件具有体积小、结构简单、灵敏度高、暗计 数低等优点，无需要外部集成偏振器件等优势。
【专利附图】
【附图说明】
[0027] 图1显示为本发明的正面入射结构的基于超导纳米线的高偏振比单光子探测器 的截面结构示意图。
[0028] 图2显示为本发明的正面入射结构的基于超导纳米线的高偏振比单光子探测器 的俯视结构示意图。
[0029] 图3显示为本发明的背面入射结构的基于超导纳米线的高偏振比单光子探测器 的结构示意图。
[0030] 图4显示为本发明的基于超导纳米线的高偏振比单光子探测器的理论 (Calculation)与实验（Experiment)的 PC-Period 对比点阵图。
[0031] 元件标号说明
[0032] 10 衬底
[0033] 20 抗反射层
[0034] 30 超导纳米线
[0035] 40 下抗反射层
[0036] 50 上抗反射层
[0037] 60 光学腔体结构
[0038] 70 反射镜
【具体实施方式】
[0039] 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。
[0040] 请参阅图1?图4。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。
[0041] 实施例1
[0042] 如图1?图2及图4所示，本实施例提供一种基于超导纳米线的高偏振比单光子 探测器，其包括：
[0043] 衬底 10 ;
[0044] 抗反射层20,结合于所述衬底10表面；
[0045] 超导纳米线30,呈周期性蜿蜒结构结合于所述抗反射层20表面，所述超导纳米线 30的宽度为不大于75纳米，厚度为不小于7纳米，占空比为不大于40%。
[0046] 作为示例，本实施例的基于超导纳米线的高偏振比单光子探测器为正面入射结构 的超导纳米线30单光子探测器。
[0047] 作为示例，所述单光子探测器的偏振比随所述超导纳米线30的宽度增加而降低， 随厚度增加而增大。因此，通过调整所述超导纳米线30的宽度及厚度可以获得偏振比较高 的单光子探测器。
[0048] 另外，在一定的范围内，所述单光子探测器的偏振比随着超导纳米线30的占空比 的降低而提高。因此，通过调整所述超导纳米线30的占空比可以获得偏振比较高的单光子 探测器，需要说明的是所述占空比，是指超导纳米线30的宽度与周期的比值。
[0049] 较优选地，所述呈超导纳米线30的宽度为不大于75纳米，厚度为不小于7纳米， 占空比为不大于40%。
[0050] 在一个具体的实施过程中，所述呈超导纳米线30的宽度为75纳米，厚度为7纳 米，占空比为40*%。
[0051] 作为示例，所述呈周期性蜿蜒结构的超导纳米线30的每个折弯处均为直角或U形 拐角，如图2所示。
[0052] 作为示例，所述衬底10包括硅衬底、MgO衬底或蓝宝石衬底，所述衬底的厚度为 300?500微米。在本实施例中，所述衬底为硅衬底，其厚度为400微米。当然，其他种类的 衬底或厚度也可能适用于本发明，因此，并不限定于此处所列举的几种示例。
[0053] 作为示例，所述抗反射层20的材料为二氧化硅，所述超导纳米线30的材料为NbN、 Nb、TaN、NbTiN或WSi。在本实施例中，所述超导纳米线30的材料为NbN。
[0054] 图4显示为本实施例的基于超导纳米线的高偏振比单光子探测器的理论 (Calculation)与实验（Experiment)的PC-Period对比点阵图，其中，所述超导纳米线为 NbN超导纳米线，其宽度为50nm，Period为纳米线的周期，并定义偏振比PC = Ρ,,/Ρι，其 中，Ρ //、Ρ 1分别是探测器对平行极化和垂直极化光的吸收效率。由图可知，本实施例提供的 基于超导纳米线的高偏振比单光子探测器的实验数据与理论数据有较好的吻合，且具有较 高的偏振比。
[0055] 实施例2
[0056] 如图3所示，本实施例还提供一种基于超导纳米线的高偏振比单光子探测器，包 括：
[0057] 衬底10,所述衬底10的上下表面分别结合有上抗反射层50及下抗反射层40 ;
[0058] 光学腔体结构60,结合于所述上抗反射层50表面；
[0059] 反射镜70,结合于所述光学腔体结构60表面；
[0060] 超导纳米线30,呈周期性蜿蜒结构结合于所述上抗反射层50与光学腔体结构60 之间，所述超导纳米线30的宽度为不大于75纳米，厚度为不小于7纳米，占空比为不大于 40%。
[0061] 作为示例，本实施例的基于超导纳米线的高偏振比单光子探测器为背面入射结构 的超导纳米线30单光子探测器。
[0062] 作为示例，所述单光子探测器的偏振比随所述超导纳米线30的宽度增加而降低， 随厚度增加而增大。因此，通过调整所述超导纳米线30的宽度及厚度可以获得偏振比较高 的单光子探测器。
[0063] 另外，在一定的范围内，所述单光子探测器的偏振比随着超导纳米线30的占空比 的降低而提高。因此，通过调整所述超导纳米线30的占空比可以获得偏振比较高的单光子 探测器，需要说明的是所述占空比，是指超导纳米线30的宽度与周期的比值。
[0064] 较优选地，所述呈超导纳米线30的宽度为不大于75纳米，厚度为不小于7纳米， 占空比为不小于40%。
[0065] 在一个具体的实施过程中，所述呈超导纳米线30的宽度为75纳米，厚度为7纳 米，占空比为40*%。
[0066] 作为示例，所述呈周期性蜿蜒结构的超导纳米线30的每个折弯处均为直角或U形 拐角。
[0067] 作为示例，所述衬底10包括硅衬底、MgO衬底或蓝宝石衬底，所述衬底的厚度为 300?500微米。在本实施例中，所述衬底为硅衬底，其厚度为400微米。当然，其他种类的 衬底或厚度也可能适用于本发明，因此，并不限定于此处所列举的几种示例。
[0068] 作为示例，所述光学腔体结构60的材料为二氧化硅或一氧化硅，所述上抗反射层 50、下抗反射层40的材料为二氧化硅或一氧化硅，所述超导纳米线30的材料为NbN、Nb、 TaN、NbTiN或WSi，所述反射镜70的材料为Ag、Au或A1。在本实施例中，所述光学腔体结 构60的材料为一氧化娃，所述上抗反射层50、下抗反射层40的材料为二氧化娃，所述超导 纳米线30的材料为NbN，所述反射镜70的材料为Ag。
[0069] 综上所述，本发明提供一种基于超导纳米线的高偏振比单光子探测器，包括：衬底 10 ;抗反射层20,结合于所述衬底10表面；超导纳米线30,呈周期性蜿蜒结构结合于所述 抗反射层20表面，所述超导纳米线30的宽度为不大于75纳米，厚度为不小于7纳米，占 空比为不大于40%。本发明通过调整单光子探测器的超导纳米线30的宽度、厚度以及占 空比，实现了单光子探测器较大的偏振比，相比于传统的偏振探测器件具有体积小、结构简 单、暗计数低等优点，可以提高器件的集成度，并降低成本。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。
[0070] 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. 一种基于超导纳米线的高偏振比单光子探测器，其特征在于，包括： 衬底； 抗反射层，结合于所述衬底表面； 超导纳米线，呈周期性蜿蜒结构结合于所述抗反射层表面，所述超导纳米线的宽度为 不大于75纳米，厚度为不小于7纳米，占空比为不大于40%。
2. 根据权利要求1所述的基于超导纳米线的高偏振比单光子探测器，其特征在于：所 述呈超导纳米线的宽度为不大于75纳米，厚度为不小于7纳米，占空比为不大于40%。
3. 根据权利要求1所述的基于超导纳米线的高偏振比单光子探测器，其特征在于：所 述单光子探测器的偏振比随所述超导纳米线的宽度增加而降低，随厚度增加而增大。
4. 根据权利要求1所述的基于超导纳米线的高偏振比单光子探测器，其特征在于：所 述呈周期性蜿蜒结构的超导纳米线的每个折弯处均为直角或U形拐角。
5. 根据权利要求1所述的基于超导纳米线的高偏振比单光子探测器，其特征在于：所 述衬底包括硅衬底、MgO衬底或蓝宝石衬底，所述抗反射层的材料为二氧化硅，所述超导纳 米线的材料为NbN、Nb、TaN、NbTiN或WSi。
6. -种基于超导纳米线的高偏振比单光子探测器，其特征在于：包括： 衬底，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，结合于所述上抗反射层表面； 反射镜，结合于所述光学腔体结构表面； 超导纳米线，呈周期性蜿蜒结构结合于所述上抗反射层与光学腔体结构之间，所述超 导纳米线的宽度为不大于75纳米，厚度为不小于7纳米，占空比为不大于40%。
7. 根据权利要求6所述的基于超导纳米线的高偏振比单光子探测器，其特征在于：所 述单光子探测器的偏振比随所述超导纳米线的宽度增加而降低，随厚度增加而增大。
8. 根据权利要求6所述的基于超导纳米线的高偏振比单光子探测器，其特征在于：所 述呈超导纳米线的宽度为不大于75纳米，厚度为不小于7纳米，占空比为不大于40%。
9. 根据权利要求6所述的基于超导纳米线的高偏振比单光子探测器，其特征在于：所 述呈周期性蜿蜒结构的超导纳米线的每个折弯处均为直角或U形拐角。
10. 根据权利要求6所述的基于超导纳米线的高偏振比单光子探测器，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。
【文档编号】G01J1/42GK104091884SQ201410334719
【公开日】2014年10月8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, 郭琦, 张伟君, 张露, 王镇 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所