[发明专利]具有中红外高光吸收特性的超导纳米线单光子探测器

说明书

本发明公开的具有中红外高光吸收特性的超导纳米线单光子探测器，包括自上而下依次设置的纳米线层、二氧化硅腔、分布式布拉格反射镜以及衬底，纳米线层采用单层NbN纳米线或双层NbN纳米线。然后以3‑5μm波长范围内光吸收率的最小值作为目标函数，通过粒子群算法/PSO来寻求初始结构中二氧化硅腔、DBR的高折射率薄膜和低折射率薄膜这三者厚度的最优解，实现了具有3‑5μm宽带高光吸收率以及较好带内平坦度特性的SNSPD设计。当入射光垂直入射时，在3‑5μm目标波长范围内，优化后的单层NbN纳米线结构的光吸收率最小值为0.526，最大值为0.779，带内平坦度可以低至0.253；双层NbN纳米线结构的最小值和最大值则分别达到了0.748和0.974，带内平坦度可以低至0.226。

技术领域

本发明属于红外光电探测器技术领域，涉及一种具有中红外高光吸收特性的超导纳米线单光子探测器。

背景技术

超导纳米线单光子探测器/SNSPD因其所具有的暗计数低、响应频谱宽、时间抖动小、重复速度快等优点，已在过去的二十年中得到了飞速的发展并被广泛应用于各个相关的前沿技术领域，例如远距离量子通信，单光子成像等。而随着新需求的不断涌现，对于SNSPD的光子响应机制、极化不敏感结构设计等多个方面的研究也正在不断深入。而具有中红外高探测效率的SNSPD因其在诸如光谱分析、天文观测等领域的重要应用价值，正受到越来越多的关注。

SNSPD在近红外波段现有技术已经较为成熟，其通常采用线宽约100nm左右的超导纳米蜿蜒线结构并引入纳米天线、光学腔、多层介质结、高折射率介质、分形结构、波导集成等结构进一步提高光吸收率。而在中红外波段，虽然采用线宽约30-50nm左右的超窄纳米蜿蜒线结构能够较为有效地解决单个光子能量的显著降低以及由此导致的热点难以触发纳米线阻态的问题，但是SNSPD的高光吸收率设计，特别是宽带光吸收设计时较好的带内平坦度设计仍然有待进一步研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有中红外高光吸收特性的超导纳米线单光子探测器，解决了现有技术中存在的探测器宽带光吸收效率设计时难以同时保证高光吸收率峰值和较好带内平坦度的问题。

本发明所采用的技术方案是，具有中红外高光吸收特性的超导纳米线单光子探测器，包括自上而下依次设置的纳米线层、二氧化硅腔、分布式布拉格反射镜以及衬底。

本发明的特点还在于，

分布式布拉格反射镜由高折射率薄膜和低折射率薄膜交替构成，高折射率薄膜采用氧化钇稳定氧化锆，折射率为5；低折射率薄膜采用二氧化硅，折射率为1.444；所述分布式布拉格反射镜的周期数为4。

衬底采用BK7玻璃衬底，厚度为400μm，折射率为1.5055。

纳米线层采用单层氮化铌纳米线结构，所述氮化铌纳米线厚度为4nm，线宽为30nm，占空比为1/3。

纳米线层采用单层氮化铌纳米线结构时，二氧化硅腔厚度为650nm，氧化钇稳定氧化锆高折射率薄膜厚度为187nm，所述二氧化硅低折射率薄膜厚度为663nm。

纳米线层采用双层氮化铌纳米线结构，包括自上而下依次设置的氮化铌纳米线、二氧化硅隔离层和氮化铌纳米线，所述氮化铌纳米线厚度为4nm，线宽为30nm，占空比为1/3；所述二氧化硅隔离层厚度为3nm。

纳米线层采用双层氮化铌纳米线结构时，二氧化硅腔厚度为658nm，氧化钇稳定氧化锆高折射率薄膜厚度为187nm，二氧化硅低折射率薄膜厚度为636nm。

本发明的有益效果是：