一种基于TM0模吸收的超导纳米线单光子探测器及探测方法

摘要

本发明提供一种基于TM0模吸收的超导纳米线单光子探测器及探测方法，包括：定向耦合器，用于实现TE0模式至TE1模式的转换；偏振旋转器，与所述定向耦合器连接，用于实现TE1模式至TM0模式的转换；纳米线单光子探测器，与所述偏振旋转器连接，用于实现对TM0模式的吸收及探测。本发明的基于TM0模吸收的超导纳米线单光子探测器结构简单，是在SOI结构的基础上实现TE0模至TM0模的高效转换，并由纳米线单光子探测器快速吸收并探测，不仅极大地缩短了纳米线所需长度，从而降低了纳米线制作所要求的工艺条件，还保护器件避免被刻蚀剂破坏，使得器件工作性能稳定。

说明书

技术领域

本发明属于集成量子芯片领域，涉及一种基于TM

背景技术

具备高探测效率的单光子探测器在光量子领域有着重要的应用，尤其是一些基于探测的应用，比如光量子计算、量子密钥分发、量子玻色采样、loophole-free贝尔实验等。在1550nm通讯波段，InGaAs近红外雪崩二极管探测器是当前主流的探测器，但是这种探测器暗计数较大，探测效率通常低于30％。另外，这种探测器是片外的独立结构，不满足小型化、集成化的发展趋势。

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)是近年来发展迅速的单光子探测器，这种探测器是一种利用超导纳米膜线进行光子检测的高灵敏光子探测器，具有效率高、计数率高、暗计数小、时间抖动小等优点，辅助谐振腔、反射镜等结构，在1550nm波段单光子探测效率可以高达90％以上，暗计数小于100Hz。但是传统的SNSPD都是采用光纤垂直入射的方式，不满足片上集成的要求，另外谐振腔等结构限制了带宽。

目前，一种波导行波耦合SNSPD是一个较佳方案，采用波导倏逝波耦合的吸收方式，该吸收方式由片外转移至片上，并且不需要谐振腔结构就可以实现很高的吸收效率，可以很好的解决垂直入射SNSPD的缺陷。基于波导行波耦合的SNSPD已经在多种材料体系上实现，如SOI、SiN、GaAs等，并且已经应用于一些重要的器件，如可区分光子数的探测器、双光子干涉实验等。但是总的看来，这些SNSPD用的都是准横电模(TE)吸收的方式，由于TE模电场的方向问题，通常需要几十微米长的NbN纳米线才能完成近乎100％的吸收，并且这些结构需要直接将NbN薄膜生长在波导的上方，这对NbN纳米线的制作工艺提出了较高的要求，一是NbN薄膜只有几纳米的厚度以及较长的结构导致良率较低；二是需要精准控制NbN的刻蚀过程，否则过刻蚀将会破坏波导的上表面，带来散射损耗。

发明内容

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TM

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于TM

定向耦合器，用于实现TE

偏振旋转器，与所述定向耦合器连接，用于实现TE

纳米线单光子探测器，与所述偏振旋转器连接，用于实现对TM

可选地，所述定向耦合器包括平行耦合线定向耦合器。

可选地，所述定向耦合器包括间隔设置的主波导与副波导，所述主波导的宽度小于所述副波导的宽度，其中，所述主波导包括依次相连的第一段、第二段及第三段，所述第三段与所述副波导相互平行且耦合。

可选地，所述定向耦合器具有输入端口，所述输入端口配置于所述主波导的一端部以向所述主波导输入TE

可选地，所述偏振旋转器包括依次相连的第一波导、第二波导及第三波导，所述第一波导与所述定向耦合器连接。

可选地，所述第一波导、所述第二波导、所述第三波导的宽度分别呈线性渐变。

可选地，所述纳米线单光子探测器包括：

衬底；

绝缘层，位于所述衬底表面；

波导，位于所述绝缘层表面；

覆盖层，位于所述绝缘层上，且包覆所述波导的裸露表面；

超导纳米线，位于所述覆盖层表面。

可选地，所述绝缘层的材质包括SiO

可选地，所述覆盖层的材质包括SiO

可选地，所述超导纳米线呈直角曲折的方波形状，所述超导纳米线的两端部分别与正负电极连接。

可选地，所述超导纳米线沿TM

可选地，所述超导纳米线材料选自NbN、NbTiN、TiN、TaN、WSi、Nb及MoGe中的一种。

本发明还提供一种基于TM

通过定向耦合器的输入端口输入TE

TE

TE

纳米线单光子探测器通过倏逝波耦合的方法实现对TM

如上所述，本发明的一种基于TM

(1)纳米线单光子探测器采用TM

(2)纳米线可以生长在包覆波导的覆盖层上方，这样，覆盖层就可以充当阻挡层，防止芯层波导被刻蚀剂破坏而影响器件工作性能；

(3)器件整体结构简单，能够实现TE

附图说明

图1显示为本发明提供的基于TM

图2显示为本发明提供的基于TM

图3显示为本发明提供的基于TM

图4显示为本发明提供的基于TM

元件标号说明

10 衬底

20 绝缘层

30 覆盖层

40 波导

401 主波导

4011 第一段

4012 第二段

4013 第三段

402 副波导

403 第一波导

404 第二波导

405 第三波导

50 超导纳米线

61 正电极

62 负电极

具体实施方式

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它优点与功效。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。

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，虽图示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形态、数量、位置关系及比例可在实现本方技术方案的前提下随意改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

请参阅图1，本发明提供一种基于TM

作为示例，请参阅图1，所述定向耦合器可以为平行耦合线定向耦合器，所述定向耦合器包括间隔设置的主波导401与副波导402。具体的，所述主波导401的宽度小于所述副波导402的宽度，其中，所述主波导401呈S型形状，可以分为依次相连的三段，分别为第一段4011、第二段4012及第三段4013。所述第三段4013与所述副波导402相互平行且耦合，其中，所述第三段4013长度(L

需要指出的是，在其它实施例中，所述主波导401与所述副波导402的长度与间距可以根据需要进行调整，此处不应过分限制本发明的保护范围。

作为示例，请参阅图1，所述定向耦合器具有输入端口(图中未示出)，所述输入端口配置于所述主波导401的一端部以向所述主波导401输入TE

需要说明的是，请参阅图2，整个器件中定向耦合器是根据模式耦合理论设计的，当主波导中TE

作为示例，请参阅图1，所述偏振旋转器包括依次相连的第一波导403、第二波导404及第三波导405，所述第一波导403与所述定向耦合器连接。

作为示例，请参阅图1，所述第一波导403、第二波导404、第三波导405的宽度分别呈线性渐变，也就是说所述第一波导403、第二波导404、第三波导405的在水平面上的截面形状均为梯形，且沿TE

具体的，所述第一波导403的长度(L

需要说明的是，请参阅图1及图2，TE

需要指出的是，在其它实施例中，所述偏振旋转器各段的宽度、长度可以根据需要进行调整，只要满足波导中的TE

作为示例，请参阅图3，所述纳米线单光子探测器是基于SOI结构设计的，包括：

衬底10；

绝缘层20，位于所述衬底10表面；

波导40，位于所述绝缘层20表面；

覆盖层30，位于所述绝缘层20上，且包覆所述波导40的裸露表面；

超导纳米线50，位于所述覆盖层30表面。

作为示例，所述衬底10包括但不限于硅衬底、氧化镁衬底、锗衬底、氮化镓衬底、砷化镓衬底或蓝宝石衬底。本发明提供的纳米线单光子探测器选用硅衬底，这是由于硅是一种常见的半导体材料，具有材料成本低，加工工艺成熟，表面平整度高，均一性好等优点。在硅衬底上更容易生长氧化物薄膜，这有利于提高纳米线单光子探测器的成品率。

作为示例，所述绝缘层20也可以是掩埋氧化物层，可以为SiO

作为示例，所述覆盖层30可以为SiO

需要说明的是，请参阅图2及图3，所述纳米线单光子探测器作为整个器件的核心部分，可以实现TE

具体的，请参阅图3，所述纳米线单光子探测器中被所述覆盖层30包覆的波导的宽度(W

作为示例，请参阅图1及图3，所述超导纳米线50呈直角曲折的方波形状，方波凸部端靠近所述偏振旋转器的波导与所述纳米线单光子探测器的波导连接处，所述超导纳米线50延伸的两端部分别与正电极61及负电极62连接。所述超导纳米线50沿TM

作为示例，所述超导纳米线50的材料选自NbN、TiN、TaN、WSi、Nb及MoGe中的一种。优选地，本发明使用NbN作为超导纳米线材料。

请参阅图1及图4，本发明还提供一种基于TM

S1：通过定向耦合器的输入端口输入TE

S2：TE

S3：TE1模式于偏振转换器中实现向TM

S4：纳米线单光子探测器通过倏逝波耦合的方法实现对TM

作为示例，在步骤S2中，请参阅图2，基于模式耦合理论，当主波导401中TE

需要指出的是，在其它实施例中，所述主波导401中TE

作为示例，在步骤S3中，请参阅图1及图2，TE

需要说明的是，大部分硅基光子器件采用TE模特别是TE

作为示例，在步骤S4中，所述纳米线单光子探测器中的超导纳米线50沿TM

作为示例，所述基于TM

综上所述，本发明提供一种基于TM

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。