[发明专利]具有辅助环的超导纳米线单光子探测器件及其制作方法

说明书

本发明提供一种具有辅助环的超导纳米线单光子探测器件及其制作方法，所述具有辅助环的超导纳米线单光子探测器件包括：超导纳米线单光子探测器件，具有器件有效区域；辅助环，位于所述超导纳米线单光子探测器件的表面，且位于所述器件有效区域外围；所述辅助环在显微镜物镜观测下具有与所述超导纳米线单光子探测器件不同的亮度。本发明通过在超导纳米线单光子探测器件表面设置辅助环，在光耦合时，物镜观测光穿过衬底后辅助环与超导纳米线单光子探测器件其余部分的亮度对比度明显，辅助环可以清晰分辨，器件上方的光纤所出的光在器件上产生的光斑可以很容易地对准到辅助环中心，从而也就是对准到了器件有效区域中心。

技术领域

本发明属于光探测技术领域，涉及一种具有辅助环的超导纳米线单光子探测器件及其制作方法。

背景技术

超导纳米线单光子探测器件(Superconducting Nanowire Single PhotonDetector， 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。器件一般采用 Si衬底，厚度约400～500μm。光敏有效区为纳米线条，线条厚度约为5～10nm，宽度为100 nm左右，结构一般为蜿蜒曲折结构。有效区面积一般分小面积和大面积两种分别针对单模光纤(Φ9μm)和多模光纤(Φ50μm)，小面积通常10～20μm，大面积通常40～100μm。为了提高正面对光的光吸收率，在制备纳米线之前，通常在衬底表面沉积一层高反膜。高反膜为溅射生长的多层介质光学薄膜，针对所需要的波长(如1550nm)产生高反射率，基于高反膜的纳米线条具有较高的吸收效率，对于所需波长附近的光波，吸收效率可高达99％以上。

SNSPD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I_b，I_b略小于器件临界电流I_c。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SNSPD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。

SNSPD器件工作前需要进行光耦合，使得外界光能够以尽可能高的耦合效率入射到器件的纳米线有效区上。光耦合通常分背面光耦合与正面光耦合，即分别将光纤从器件的衬底背面和正面对准器件有效区，并进行固定封装。对于基于高反膜的器件，由于其需要正面光入射来提高光吸收率，所以需要进行正面光耦合。

光耦合是通过自组装的集成在倒置显微镜上面的两维移动系统来实现的。其正面对光原理为：显微镜物镜朝上，显微镜物镜观测光输入物镜；器件有效区朝上置于物镜的上方；光纤垂直朝下间隔微小距离悬于器件的上方；器件的图形及光纤中光打到器件上光斑的图形一起通过显微镜目镜摄像头输入显示器；通过机械移动，观测显示器令光斑处于有效区中心，最后将其固定则光耦合结束。

由于衬底Si的透射光谱为1060nm以上长波通，所以需要红外光作为显微镜物镜观测光穿过Si衬底才能观测到衬底正面的有效区。由于衬底上表面的高反膜，导致穿过硅片的光在针对波长附近(如1550nm)被反射回来，剩余入射到纳米线条上的光功率较弱，而纳米线条厚度很薄，导致纳米线条有效区很难分辨，对光很不准。如果不能将光纤光斑对准有效区，光耦合率下降，系统效率随之下降。

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具有辅助环的超导纳米线单光子探测器件及其制作方法，用于解决现有技术中的超导纳米线单光子探测器件存在的在光耦合过程中光纤与器件的有效区域很难对准，从而导致光耦合率下降及系统效率降低的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种具有辅助环的超导纳米线单光子探测器件，所述具有辅助环的超导纳米线单光子探测器件包括：