一种能分辨光子数的超导纳米线单光子探测器及制备方法

摘要

一种能分辨光子数的超导纳米线单光子探测器，由N个串联的超导纳米线以及相应的N个旁路电阻组成，每个旁路电阻设置在每两个相邻的超导纳米线之间，超导纳米线为氮化铌或者是氮化铌钛等超导材料制成，旁路电阻由金或者是钛等金属薄膜制成，本发明还提供了该超导纳米线单光子探测器的制备方法，制得的超导纳米线单光子探测器量子效率高、计数率高、暗计数低、带有光子数分辨能力，并且不受漏电流影响。

说明书

技术领域

本发明属于单光子探测领域，适用于在可见光以及红外波段需要实现光 子数分辨的单光子探测，涉及一种能分辨光子数的超导纳米线单光子探测器 及制备方法。

背景技术

近年来，单光子探测技术在先进的光学成像、光谱学、高能物理、超快 空间卫星通讯、放射探测和量子信息等领域有着广泛的需求和应用。G.N. Gol’tsman et al.，“Picosecond superconducting single-photon optical  detector，”Applied Physics Letter，vol.79，pp.705-707，2001.记载 的超导纳米线单光子探测器(SNSPD)自从它的诞生起，由于其在可见光和红 外波段优异的单光子探测能力、超高计数率、低的暗计数、很小的时间抖动 广泛受到人们的关注，尤其是其在近红外波段能实现的量子效率和最高计数 率均已超过已有的基于复合半导体材料的雪崩二极管，使得其已经成为量子 通讯等领域最有力的候选探测器。但是，包括传统的SNSPD在内的几乎所有 单光子探测器工作在很强的非线性模式，使得其对入射光子的反应和入射光 子数无关，即无法分辨同时入射的光子数目。为了SNSPD同时也能满足某些 需要光子数分辨的特殊应用的需求(比如线性光学量子计算、量子中继器、 非经典光源的特性表征等)，我们需要对传统的SNSPD做一些改进。目前人 们已提出两种不同的方案，可以使得SNSPD具有光子数分辨能力：US 7,638,751B2“Multi-element optical detectors with sub-wavelength  gaps”E.A.Dauler，A.J.Kerman，K.K.Berggren，V.Anant，J.K.W.Yang等 提出的SNSPD阵列和RU 2346357C1“Superconducting photon-counting  detector for visible and infrared spectral range”G.N.Gol’tsman， G.M.Chulkova，A.A.Korneev，A.V.Divochij等提出的并联纳米线探测器 (PND)。但是，SNSPD阵列需要一个非常庞大和复杂的读出电路，因为其每 一个SNSPD单元分别需要单独的放大器、偏置电路以及鉴别器。PND虽然不 需要这么复杂的读出电路，但是漏电流成为其致命的硬伤，严重限制其量子 效率和最高可分辨光子数。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种能分辨光子 数的超导纳米线单光子探测器及制备方法，其量子效率高、计数率高、暗计 数低、带有光子数分辨能力，并且不受漏电流影响。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种能分辨光子数的超导纳米线单光子探测器，由N个串联的超导纳米 线以及相应的N个旁路电阻组成。

所述每个旁路电阻设置在每两个相邻的超导纳米线之间。

所述N为大于等于2的整数，比如4、6、8等

所述超导纳米线为氮化铌或者是氮化铌钛等超导材料制成，旁路电阻由 金或者是钛等金属薄膜制成。

本发明还提供了一种制备所述能分辨光子数的超导纳米线单光子探测器 的方法，包括以下步骤：

第一步，在双面抛光的蓝宝石或者是MgO基片上生长超导薄膜，薄膜厚 度在2～8nm；

第二步，设计蜿蜒结构的纳米线图形，然后在薄膜上旋涂电子束抗蚀剂， 再用电子束曝光机曝出所需的图形窗口，最后通过反应离子刻蚀得到所设计 的图形，纳米线宽度在50-100nm之间，占空比在30～60％；

第三步，在已有的纳米线结构上，继续进行旋涂电子束抗蚀剂、电子束 套刻、金属薄膜淀积、剥离等步骤，制造片上电阻以及连在器件两端的电极 用于导出信号。

所述第一步中薄膜厚度最好在4～6nm之间。

所述第二步中纳米线覆盖的整体呈正方形，其边长最好为10μm。

所述第二步中占空比最好在50％左右。

本发明与现有技术相比，具有高量子效率、高计数率和低暗计数的特点， 同时带有光子数分辨能力，而且不受漏电流影响。

附图说明

图1为4-SND的器件结构示意图；

图2为超导单光子探测系统结构示意图；

图3-5为N-SND的等效电路原理图；

图6-8为6-SND的电热仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，为一种能分辨光子数的超导纳米线单光子探测器，由4个 串联的超导纳米线以及相应的4个旁路电阻组成，每相邻的两个超导纳米线 之间设置有一个旁路电阻，超导纳米线为氮化铌制成，旁路电阻由金薄膜制 成。每个单元的工作原理与传统的SNSPD基本相同，都是基于光子的吸收导 致的库伯对破坏和热岛(hotspot)产生原理。

如图2所示，器件中每一段超导纳米线都可以等效成一个电感和一个可 变电阻，其中电感值由相应那一段纳米线的动态电感的大小决定，而可变电 阻值代表热岛电阻的大小(没有光子入射时可变电阻值为零)。工作时，器 件电流偏置在非常接近于临界电流的地方，如0.95Ic，因为每个纳米线都是 串联连接的，所以所有纳米线都偏置在同样大小的电流上，并且因为所有纳 米线在没有光子入射时都处于超导态，所有的偏置电流只会经过纳米线，即 旁路电阻都是被短路的，此时器件两端输出电压为零。

当n(1≤n≤N)个光子分别入射到不同的纳米线区域时，n个热岛分别被 形成，继而n个纳米线的部分区域失超，产生电阻，导致原本通过纳米线流 过的很大一部分电流被迫流向相应的旁路电阻，如图3所示，表示低温放大 器的输入阻抗R_out远大于旁路电阻R_sh，而R_sh又远小于热岛电阻时的情况。

而没有光子入射的纳米线则继续保持超导态，所以相应的旁路电阻也继 续保持被短路。如果用高输入阻抗的电压放大器读取器件两端的电压信号， 可以预期得到一个高度约为n×(I_bias-I_return)×R_sh×A即正比与n的快速脉冲， 其中I_bias为偏置电流值，I_return为纳米线从正常态回到超导态时经过纳米线的 电流，A则为两个放大器的总放大倍数。

如图4所示，因为暂态电流的流向和偏置电流正好是相反的，所以经过 没有光子入射的纳米线的电流会暂时略微地减少，而不是增加。

图5-7所示为一个6-SND在2K温度和95％偏置电流的条件下得到的电热 仿真结果。这个6-SND由6个100nm宽、4nm薄、50％占空比的NbN纳米线和 6个阻值为50Ω的旁路电阻组成，器件总的有效探测面积为12×12μm²，另 外，低温放大器的输入阻抗设定为1KΩ。从图5中可以看到，在不同的n值 条件下(即不同的入射光子数)，可以得到的脉冲高度很好地正比与探测到 的光子数。因此，可以从放大后的脉冲高度分辨探测到的光子数，并且由于 纳米线偏置电流的恢复速度跟入射光子数n没有显著关系，如图6，当n个 光子被探测时经过吸收光子的纳米线的电流随时间演化，因此可以不损失最 高计数率的情况下继续增加串联纳米线的数量N来提高最高可分辨光子数。 图7为当n个光子被探测时经过没有光子入射的纳米线的电流随时间的演化， 从图中可以看到电流会随着时间先有略微的下降，然后再返回到初始值。这 样，SND就不会像PND一样有那种电流瞬时增加而有可能造成没有光子入射 的纳米线误翻转的情况发生，即SND完全不受漏电流的影响，继而可以工作 在偏置电流非常接近于其临界电流的条件下，量子效率可以得到显著的提高， 串联纳米线的数量N也可以设定在比较大的值。

如图8所示，除了用于探测入射光子信号的超导器件，构成整个探测系 统还需要：

(1)能降温到2-4K的制冷机：给超导器件提供低温环境；

(2)低噪声电流源：给超导器件提供直流电流偏置；

(3)特制的高输入阻抗的低温RF放大器和商用低噪声室温RF放大器： 用于两级放大读出超快的电压脉冲信号，两个放大器之间用同轴电缆连接；

(4)片上偏置树(bias-T)：电流源接到偏置树的直流端，偏置树的射 频端直接接到低温放大器输入端上，偏置树的另外一端直接接到器件电极上；

(5)计数器和高速示波器：对读出的脉冲信号进行计数和波形分析；

(6)光路系统：用于耦合、传输和调节入射光信号，由光源、可调光功 率衰减器、可调偏振器、光纤耦合器、光纤、光功率计以及微位移器组成。