[发明专利]一种基于超导薄膜材料的单光子探测器及其制造方法

说明书

技术领域

本发明提出了一种基于超导超薄薄膜材料的单光子探测器，涉及单光子检测和极弱光探测等邻域，适用于单光子探测、极弱光探测，所探测的光波长包括了400nm-2000nm。

背景技术

众所周知，光具有波动性和粒子性两个特征。当光弱到一定程度时，其粒子性就表现得极为明显。基于这一现象和光电效应理论，人们研究通过记录光子数的光子计数器用于探测弱光，如光电倍增管和雪崩二极管等。由于技术需求给光子计数提出了更高的要求——单光子探测，而目前的这些产品面临着巨大的挑战。以雪崩二极管为例，雪崩二极管按照工作的波长分为可见光波段和红外波段两类。可见光波段主要采用Si，红外波段常采用复合半导体材料，如InGaAs/InP等。Si雪崩二极管在可见光波段具有很高的量子效率，可达70％(650nm)，但是该类二极管在红外波段量子效率极低。为了克服这一难题，人们采用了对红外光较敏感的复合半导体材料制备雪崩二极管，通过这一改进，在红外波段的量子效率达到了10％(1550nm)，尽管这一效率较以往有了很大的进步，但仍然不高。与此同时，这些光子计探测器的重复速率普遍较低，在完全理想状态下也只有10MHz，这显然不能满足量子通讯等领域的需求。

随着薄膜工艺和微加工技术的发展，以及单光子探测技术的需求，人们发展出了超导单光子检测(SSPD)技术，该技术具有灵敏度高，重复速率快，暗计数低等优点。在超导材料中，当处于临界温度以下，并且通过的电流低于某一数值时(如图1)，超导体仍处于超导态。当超导处于某一低于临界温度时，如果通过超导体的电流超过临界电流，超导体迅速转变到正常态。这个转变点电流密度就称为该超导体的临界电流密度。将超薄超导薄膜微加工成亚微米宽的纳米条，当光子射入纳米条上时，在纳米条上会形成一个正常态的区域，这个区域通常被称为hotspot。如果给这个纳米条通上略低于临界电流的电流，在没有光子入射时，纳米条处于超导态，当有光子入射时，由于纳米条中的hotspot阻断了该区域电流流过，电流集中到纳米条的其他区域，在这些区域流过的电流密度超过了临界电流密度，因此纳米条迅速完全转变为正常态，最终导致电流在纳米带的电阻迅速增加。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种高效率、高灵敏度、高重复速度和低暗计数的单光子探测器。

技术方案：本发明所述的一种基于超导薄膜材料的单光子探测器，其特征是该探测器包括：一个用于耦合、传输和调节入射的光信号的光路系统，该光路系统由光源、光功率衰减器、可调光功率衰减器、纤耦合器和光功率计组成。

一个低温环境下用于检测入射的光子信号的超导器件。

一个用于电信号的读出及处理分析的电学系统，该电学系统由偏置电源、偏置树、放大器、光子计数器组成，电源接到偏置树的直流段，在电源端直接并联一个电阻，偏置树的射频端连接到放大器上，通过放大器放大的信号用高速示波器显示波形，用数字计数器显示光子重复速率，偏置树的另外一端与器件的共面波导连接。

所述的超导器件为超导氮化铌检测器件，工作的环境温度为2K-4.2K。

其中电路连接的方式是，电源通过同轴电缆接到偏置树的直流段，偏置树的射频端通过同轴电缆连接到放大器上，偏置树的另外一端通过半钢同轴电缆与器件的共面波导连接。

所述偏置树的带宽为10-4200mHz，放大器为宽带低噪声放大器。

所述的单光子探侧器所用超导器件的制造方法，包括以下步骤：

(1)超薄超导薄膜生长：采用高质量超导氮化铌薄膜；

(2)超导器件的图形设计和微加工：首先采用首尾相接的纳米线设计图形；然后在薄膜上旋涂电子束曝光胶，再用电子束曝光机曝出设计的图形窗口，最后通过RIE刻蚀得到所设计的纳米线结构；

(3)超导器件电极与光路对准设计：在纳米线结构上设计一个电极用于导出高频信号和便于与同轴电缆相连，光通过光纤传输，并通过光纤PC接头将光纤出光口对准器件活性区域。

其中超导氮化铌薄膜的超导转变温度Tc为10-11k，薄膜厚度3-5nm；纳米线的宽度为100-300nm，纳米线成蜿蜒结构，纳米条覆盖的整体呈正方形；电极采用共面波导设计。