[發(fā)明專利]一種能分辨光子數(shù)的超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器及制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110197620.5
• 申請(qǐng)日: 2011-07-14
• 公開（公告）號(hào): CN102353464A
• 公開（公告）日: 2012-02-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 成日盛;劉建設(shè);李鐵夫;陳煒
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號(hào): G01J11/00
• 分類號(hào): G01J11/00;B81C1/00
• 代理公司: 西安智大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 賈玉健

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于單光子探測(cè)領(lǐng)域，適用于在可見光以及紅外波段需要實(shí)現(xiàn)光子數(shù)分辨的單光子探測(cè)，涉及一種能分辨光子數(shù)的超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器及制備方法。

背景技術(shù)

近年來，單光子探測(cè)技術(shù)在先進(jìn)的光學(xué)成像、光譜學(xué)、高能物理、超快空間衛(wèi)星通訊、放射探測(cè)和量子信息等領(lǐng)域有著廣泛的需求和應(yīng)用。G.N.Gol’tsman?et?al.，“Picosecond?superconducting?single-photon?optical?detector，”Applied?Physics?Letter，vol.79，pp.705-707，2001.記載的超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器(SNSPD)自從它的誕生起，由于其在可見光和紅外波段優(yōu)異的單光子探測(cè)能力、超高計(jì)數(shù)率、低的暗計(jì)數(shù)、很小的時(shí)間抖動(dòng)廣泛受到人們的關(guān)注，尤其是其在近紅外波段能實(shí)現(xiàn)的量子效率和最高計(jì)數(shù)率均已超過已有的基于復(fù)合半導(dǎo)體材料的雪崩二極管，使得其已經(jīng)成為量子通訊等領(lǐng)域最有力的候選探測(cè)器。但是，包括傳統(tǒng)的SNSPD在內(nèi)的幾乎所有單光子探測(cè)器工作在很強(qiáng)的非線性模式，使得其對(duì)入射光子的反應(yīng)和入射光子數(shù)無關(guān)，即無法分辨同時(shí)入射的光子數(shù)目。為了SNSPD同時(shí)也能滿足某些需要光子數(shù)分辨的特殊應(yīng)用的需求(比如線性光學(xué)量子計(jì)算、量子中繼器、非經(jīng)典光源的特性表征等)，我們需要對(duì)傳統(tǒng)的SNSPD做一些改進(jìn)。目前人們已提出兩種不同的方案，可以使得SNSPD具有光子數(shù)分辨能力：US7,638,751B2“Multi-element?optical?detectors?with?sub-wavelength?gaps”E.A.Dauler，A.J.Kerman，K.K.Berggren，V.Anant，J.K.W.Yang等提出的SNSPD陣列和RU?2346357C1“Superconducting?photon-counting?detector?for?visible?and?infrared?spectral?range”G.N.Gol’tsman，G.M.Chulkova，A.A.Korneev，A.V.Divochij等提出的并聯(lián)納米線探測(cè)器(PND)。但是，SNSPD陣列需要一個(gè)非常龐大和復(fù)雜的讀出電路，因?yàn)槠涿恳粋€(gè)SNSPD單元分別需要單獨(dú)的放大器、偏置電路以及鑒別器。PND雖然不需要這么復(fù)雜的讀出電路，但是漏電流成為其致命的硬傷，嚴(yán)重限制其量子效率和最高可分辨光子數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種能分辨光子數(shù)的超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器及制備方法，其量子效率高、計(jì)數(shù)率高、暗計(jì)數(shù)低、帶有光子數(shù)分辨能力，并且不受漏電流影響。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種能分辨光子數(shù)的超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器，由N個(gè)串聯(lián)的超導(dǎo)納米線以及相應(yīng)的N個(gè)旁路電阻組成。

所述每個(gè)旁路電阻設(shè)置在每?jī)蓚€(gè)相鄰的超導(dǎo)納米線之間。

所述N為大于等于2的整數(shù)，比如4、6、8等

所述超導(dǎo)納米線為氮化鈮或者是氮化鈮鈦等超導(dǎo)材料制成，旁路電阻由金或者是鈦等金屬薄膜制成。

本發(fā)明還提供了一種制備所述能分辨光子數(shù)的超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器的方法，包括以下步驟：

第一步，在雙面拋光的藍(lán)寶石或者是MgO基片上生長(zhǎng)超導(dǎo)薄膜，薄膜厚度在2～8nm；

第二步，設(shè)計(jì)蜿蜒結(jié)構(gòu)的納米線圖形，然后在薄膜上旋涂電子束抗蝕劑，再用電子束曝光機(jī)曝出所需的圖形窗口，最后通過反應(yīng)離子刻蝕得到所設(shè)計(jì)的圖形，納米線寬度在50-100nm之間，占空比在30～60％；

第三步，在已有的納米線結(jié)構(gòu)上，繼續(xù)進(jìn)行旋涂電子束抗蝕劑、電子束套刻、金屬薄膜淀積、剝離等步驟，制造片上電阻以及連在器件兩端的電極用于導(dǎo)出信號(hào)。

所述第一步中薄膜厚度最好在4～6nm之間。

所述第二步中納米線覆蓋的整體呈正方形，其邊長(zhǎng)最好為10μm。

所述第二步中占空比最好在50％左右。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有高量子效率、高計(jì)數(shù)率和低暗計(jì)數(shù)的特點(diǎn)，同時(shí)帶有光子數(shù)分辨能力，而且不受漏電流影響。

附圖說明

圖1為4-SND的器件結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為超導(dǎo)單光子探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3-5為N-SND的等效電路原理圖；

圖6-8為6-SND的電熱仿真結(jié)果。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。