專利名稱：一種基于超導(dǎo)薄膜材料的單光子探測器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提出了一種基于超導(dǎo)超薄薄膜材料的單光子探測器，涉及單光子檢測 和極弱光探測等鄰域，適用于單光子探測、極弱光探測，所探測的光波長包括了 400nm_2000nm。
背景技術(shù)：
眾所周知，光具有波動性和粒子性兩個特征。當(dāng)光弱到一定程度時，其粒子 性就表現(xiàn)得極為明顯。基于這一現(xiàn)象和光電效應(yīng)理論，人們研究通過記錄光子數(shù) 的光子計數(shù)器用于探測弱光，如光電倍增管和雪崩二極管等。由于技術(shù)需求給光 子計數(shù)提出了更高的要求——單光子探測，而目前的這些產(chǎn)品面臨著巨大的挑 戰(zhàn)。以雪崩二極管為例，雪崩二極管按照工作的波長分為可見光波段和紅外波段 兩類?？梢姽獠ǘ沃饕捎肧i，紅外波段常采用復(fù)合半導(dǎo)體材料，如InGaAs/InP 等。Si雪崩二極管在可見光波段具有很高的量子效率，可達7(m(650nm)，但是 該類二極管在紅外波段量子效率極低。為了克服這一難題，人們釆用了對紅外光 較敏感的復(fù)合半導(dǎo)體材料制備雪崩二極管，通過這一改進，在紅外波段的量子效 率達到了 10%(1550nm),盡管這一效率較以往有了很大的進步，但仍然不高。與 此同時，這些光子計探測器的重復(fù)速率普遍較低，在完全理想狀態(tài)下也只有 10MHz，這顯然不能滿足量子通訊等領(lǐng)域的需求。
隨著薄膜工藝和微加工技術(shù)的發(fā)展，以及單光子探測技術(shù)的需求，.人們發(fā)展 出了超導(dǎo)單光子檢測(SSPD)技術(shù)，該技術(shù)具有靈敏度高，重復(fù)速率快，暗計數(shù) 低等優(yōu)點。在超導(dǎo)材料中，當(dāng)處于臨界溫度以下，并且通過的電流低于某一數(shù)值 時(如圖l)，超導(dǎo)體仍處于超導(dǎo)態(tài)。當(dāng)超導(dǎo)處于某一低于臨界溫度時，如果通過 超導(dǎo)體的電流超過臨界電流，超導(dǎo)體迅速轉(zhuǎn)變到正常態(tài)。這個轉(zhuǎn)變點電流密度就 稱為該超導(dǎo)體的臨界電流密度。將超薄超導(dǎo)薄膜微加工成亞微米寬的納米條，當(dāng) 光子射入納米條上時，在納米條上會形成一個正常態(tài)的區(qū)域，這個區(qū)域通常被稱 為hotspot。如果給這個納米條通上略低于臨界電流的電流，在沒有光子入射時， 納米條處于超導(dǎo)態(tài)，當(dāng)有光子入射時，由于納米條中的hotspot阻斷了該區(qū)域電 流流過，電流集中到納米條的其他區(qū)域，在這些區(qū)域流過的電流密度超過了臨界 電流密度，因此納米條迅速完全轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，最終導(dǎo)致電流在納米帶的電阻迅
速增加。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種高效率、高靈敏度、高重復(fù)速度和低暗 計數(shù)的單光子探測器。
技術(shù)方案本發(fā)明所述的一種基于超導(dǎo)薄膜材料的單光子探測器，其特征是 該探測器包括 一個用于耦合、傳輸和調(diào)節(jié)入射的光信號的光路系統(tǒng)，該光路系 統(tǒng)由光源、光功率衰減器、可調(diào)光功率衰減器、纖耦合器和光功率計組成。
一個低溫環(huán)境下用于檢測入射的光子信號的超導(dǎo)器件。
一個用于電信號的讀出及處理分析的電學(xué)系統(tǒng)，該電學(xué)系統(tǒng)由偏置電源、偏 置樹、放大器、光子計數(shù)器組成，電源接到偏置樹的直流段，在電源端直接并聯(lián) 一個電阻，偏置樹的射頻端連接到放大器上，通過放大器放大的信號用高速示波 器顯示波形，用數(shù)字計數(shù)器顯示光子重復(fù)速率，偏置樹的另外一端與器件的共面 波導(dǎo)連接。
所述的超導(dǎo)器件為超導(dǎo)氮化鈮檢測器件，工作的環(huán)境溫度為2K-4.2K。 其中電路連接的方式是，電源通過同軸電纜接到偏置樹的直流段，偏置樹的
射頻端通過同軸電纜連接到放大器上，偏置樹的另外一端通過半鋼同軸電纜與器
件的共面波導(dǎo)連接。
所述偏置樹的帶寬為10-4200mHz，放大器為寬帶低噪聲放大器。 所述的單光子探側(cè)器所用超導(dǎo)器件的制造方法，包括以下步驟
(1) 超薄超導(dǎo)薄膜生長采用高質(zhì)量超導(dǎo)氮化鈮薄膜；
(2) 超導(dǎo)器件的圖形設(shè)計和微加工首先采用首尾相接的納米線設(shè)計圖形； 然后在薄膜上旋涂電子束曝光膠，再用電子束曝光機曝出設(shè)計的圖形窗口，最后 通過RIE刻蝕得到所設(shè)計的納米線結(jié)構(gòu)；
(3) 超導(dǎo)器件電極與光路對準(zhǔn)設(shè)計在納米線結(jié)構(gòu)上設(shè)計一個電極用于導(dǎo) 出高頻信號和便于與同軸電纜相連，光通過光纖傳輸，并通過光纖PC接頭將光 纖出光口對準(zhǔn)器件活性區(qū)域。
其中超導(dǎo)氮化鈮薄膜的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc為10-llk，薄膜厚度3-5nm;納米線 的寬度為100-300 nm,納米線成婉蜓結(jié)構(gòu)，納米條覆蓋的整體呈正方形；電極 采用共面波導(dǎo)設(shè)計。
有益效果本發(fā)明利用超薄超導(dǎo)薄膜和微加工技術(shù)，設(shè)計并制備了一種單光
子探測器件，提出了一種利用該器件檢測單光子/極弱光的探測器，制備的NbN 薄膜厚度為3.5nm - 5.0 nm，采用晶向為(100)的氧化鎂(Mg0)襯底，超導(dǎo)轉(zhuǎn) 變溫度約10-11 K。設(shè)計并制備的納米條寬度約100 nm - 300 nm,納米條為等 間隔周期排列。器件常溫電阻約100 k-3000 k，在液氦溫度4. 2k時的超導(dǎo)臨界 電流密度為5. OX 106A/cm2 。通過50dB信號放大，器件的光子響應(yīng)脈沖高度為 90mV，脈沖寬度 10ns，其理論對應(yīng)的重復(fù)速率達100MHz。以激光二極管產(chǎn)生 的波長為1550nm的連續(xù)激光為例，測試表明，本探測器具有光響應(yīng)速度快，靈 敏度高，暗計數(shù)低等優(yōu)點。


圖1超導(dǎo)體內(nèi)臨界電流密度和溫度的關(guān)系；
圖2超導(dǎo)單光子探測器單光子檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖3制備的單光子探測器芯片表面SEM照片；
圖4器件I-V特性與光響應(yīng)過程示意圖5實驗測得的單光子器件的光響應(yīng)脈沖圖6實驗測得的光子計數(shù)與入射光功率的函數(shù)關(guān)系圖。
具體實施例方式
本發(fā)明利用超薄薄膜技術(shù)，在單晶MgO(100)基片上成功生長了高質(zhì)量超薄 NbN薄膜，基于這種NbN薄膜設(shè)計并制備了一種單光子探測器，可用于可見光到 近紅外光波段單光子和極弱光的探測。本發(fā)明包括單光子探測器系統(tǒng)和超導(dǎo)探測 器件兩個方面，探測器系統(tǒng)包括電學(xué)系統(tǒng)、光路系統(tǒng)和器件與低溫系統(tǒng)，具體實 施方式如下。
電學(xué)系統(tǒng)電子學(xué)系統(tǒng)包括直流源、信號傳輸、信號放大和檢測等。電路示 意圖如圖2，圖中電源可以是恒流源，也可以是恒壓源。電源通過同軸電纜接到 偏置樹的直流段，這里所釆用的偏置樹的帶寬為10-1000mHz。偏置樹的射頻端 通過同軸電纜連接到放大器上，這里采用的放大器為寬帶低噪聲放大器，電壓放 大倍數(shù)約400倍。通過放大器放大的信號可用高速示波器觀察波形，也可用數(shù)字 計數(shù)器分析光子重復(fù)速率。偏置樹的另外一端通過半鋼同軸電纜與器件的共面波 導(dǎo)連接。
在工作時，器件電流偏置在接近于臨界電流的地方，如0.9Ic。在沒有光子 入射時，通過器件的電流低于臨界電流，器件處于超導(dǎo)態(tài)，電阻可忽略，而通過50歐姆的并聯(lián)電阻的電流可忽略。當(dāng)光子入射到納米條上，器件形成hotspot， 部分轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)，電阻迅速增加，導(dǎo)致原本通過器件流過的電流部分從并聯(lián)電 阻流過。這樣通過器件的電流又低于臨界電流，轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)的部分又迅速轉(zhuǎn)變 為超導(dǎo)態(tài)，回到初始狀態(tài)。這一過程對應(yīng)著器件I-V曲線上的M點和N點。電路 中的偏置樹將這一過程電壓的交流分量通過其RF端輸出到放大器。
通過放大器放大后的信號可以通過高速示波器觀察。當(dāng)有光子入射到器件上 時可以觀測到如圖5所示的脈沖峰，這正是本發(fā)明的器件對光子的響應(yīng)，數(shù)字計 數(shù)器可以記錄下這些脈沖數(shù)量，因此可以通過脈沖數(shù)來表征入射光子數(shù)，如圖6 所示。
光路系統(tǒng)和低溫系統(tǒng)光路用于探測光的控制和傳輸，采用單模光纖將要測 量的光引入光纖活性區(qū)域。實驗中可以通過控制入射光的衰減來模擬單光子源， 如圖2所示，激光二極管產(chǎn)生約lmW的連續(xù)激光，波長為1550nra，在該系統(tǒng)中， 可光功率衰減器可以將激光器產(chǎn)生的光衰減70dB-100dB。光路的鏈接和光功率 的衰減采用標(biāo)準(zhǔn)光通訊無源器件。低溫系統(tǒng)采用液氦杜瓦，該低溫系統(tǒng)提供4. 2k 的低溫氛圍，用于保證器件工作時溫度穩(wěn)定在4.2k。
器件結(jié)構(gòu)與工藝探測器件包含活性區(qū)域、電極和光纖支架三部分?；钚?區(qū)域為蜿蜒結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)NbN等周期間隔的納米超薄膜線條，區(qū)域整體呈正方形結(jié) 構(gòu)，制備于MgO(100)基片上。電極為300nm厚度的超導(dǎo)NbN薄膜形成的共面波導(dǎo) 結(jié)構(gòu)，共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)通過紫外光刻和反應(yīng)離子刻蝕等工藝技術(shù)加工，與器件活性 區(qū)域的NbN納米薄膜條的兩端連接。光纖支架集成在器件底座上，用于固定光纖 和便于將光纖傳出的光信號對準(zhǔn)活性區(qū)域。
權(quán)利要求
1、一種基于超導(dǎo)薄膜材料的單光子探測器，其特征是該探測器包括一個用于耦合、傳輸和調(diào)節(jié)入射的光信號的光路系統(tǒng)，由光源、光功率衰減器、可調(diào)光功率衰減器、光纖耦合器和光功率計組成；一個低溫環(huán)境下用于檢測入射的光子信號的超導(dǎo)器件；一個用于電信號的讀出及處理分析的電學(xué)系統(tǒng)，由偏置電源、偏置樹、放大器、光子計數(shù)器組成，電源接到偏置樹的直流段，在電源端直接并聯(lián)一個電阻，偏置樹的射頻端連接到放大器上，通過放大器放大的信號用高速示波器顯示波形，用數(shù)字計數(shù)器顯示光子重復(fù)速率，偏置樹的另外一端與器件的共面波導(dǎo)連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超導(dǎo)薄膜材料的單光子探測器，其特征是器 件工作的環(huán)境溫度為2K-4. 2K。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于超導(dǎo)薄膜材料的單光子探測器，其特征 是器件為超導(dǎo)氮化鈮檢測器件。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超導(dǎo)薄膜材料的單光子探測器，其特征是電 源通過同軸電纜接到偏置樹的直流段，偏置樹的射頻端通過同軸電纜連接到放大 器上，偏置樹的另外一端^過半鋼同軸電l^，器件的共面波導(dǎo)連接。
5、 根據(jù)權(quán)利i求丄"4-所述的基于超i薄膜材料的單光子探測器，其特征是偏置樹的帶寬為10-4200raHz。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的基于超導(dǎo)薄膜材料的單光子探測器，其特征 是放大器為寬帶低噪聲放大器。
7、 一種基于超導(dǎo)薄膜材料的單光子探測器所用超導(dǎo)器件的制造方法，其特 征是該方法包括以下步驟(1) 超薄超導(dǎo)薄膜生長采用高質(zhì)量超導(dǎo)氮化鈮薄膜；(2) 超導(dǎo)器件的圖形設(shè)計和微加工首先采用首尾相接的納米線設(shè)計圖形； 然后在薄膜上旋涂電子束曝光膠，再用電子束曝光機曝出設(shè)計的圖形窗口，最后 通過RIE刻蝕得到所設(shè)計的納米線結(jié)構(gòu)；(3) 超導(dǎo)器件電極與光路對準(zhǔn)設(shè)計在納米線結(jié)構(gòu)上設(shè)計一個電極用于導(dǎo) 出高頻信號和便于與同軸電纜相連，光通過光纖傳輸，并通過光纖PC接頭將光 纖出光口對準(zhǔn)器件活性區(qū)域。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于超導(dǎo)薄膜材料的單光子探測器所用超導(dǎo)器件 的制造方法，其特征是高質(zhì)量超導(dǎo)氮化鈮薄膜的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度Tc為10-llk，薄膜厚度3-5nm。
9、根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于超導(dǎo)薄膜材料的單光子探測器所用超導(dǎo)器件 的制造方法，其特征是納米線的寬度為100-300 nm，納米線成婉蜒結(jié)構(gòu)，納米 條覆蓋的整體呈正方形。
10、根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于超導(dǎo)薄膜材料的單光子探測器所用超導(dǎo)器件 的制造方法，其特征是電極采用共面波導(dǎo)設(shè)計。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于超導(dǎo)薄膜材料的單光子探測器，包括一個用于耦合、傳輸和調(diào)節(jié)入射的光信號的光路系統(tǒng)，一個低溫環(huán)境下用于檢測入射的光子信號的超導(dǎo)器件和一個用于電信號的讀出及處理分析的電學(xué)系統(tǒng)。本發(fā)明還公開了一種單光子探測器所用超導(dǎo)器件的制造方法，該方法包括以下步驟超薄超導(dǎo)薄膜生長超導(dǎo)器件的圖形設(shè)計和微加工。本發(fā)明所述的單光子探測器具有靈敏度高，暗計數(shù)低，重復(fù)速率快等優(yōu)點，在眾多鄰域具有重要的應(yīng)用前景。
文檔編號G01J11/00GK101339077SQ20081010870
公開日2009年1月7日 申請日期2008年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月14日
發(fā)明者吳培亨, 琳 康, 張蠟寶, 健 陳 申請人:南京大學(xué)