[發明專利]單光子探測器及制備方法

有效

• 申請號: 202011101934.6
• 申請日: 2020-10-15
• 公開（公告）號: CN112229510B
• 公開（公告）日: 2022-06-24
• 發明（設計）人: 張偉君;熊佳敏;尤立星;王鎮;謝曉明
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: G01J1/44
• 分類號: G01J1/44;B82Y15/00;B82Y40/00
• 代理公司: 上海泰博知識產權代理有限公司 31451
• 代理人: 錢文斌

本發明提供一種單光子探測器及制備方法，包括：襯底及形成于所述襯底上的超導線，所述超導線包括多個直線部及連接直線部的拐角部；其中，所述超導線的拐角部的厚度大于直線部的厚度。本發明的單光子探測器及制備方法將超導線拐角部的厚度加厚(大于直線部厚度)，從而提升拐角區域的臨界電流。盡管超導線拐角部仍然存在“電流擁擠效應”，但因為拐角區域整體的臨界電流提升至高于直線部的臨界電流水平，拐角區域不再是限制整體超導線臨界電流的瓶頸，從而達到抑制拐角區域“電流擁擠效應”所帶來的不良影響的目的。

技術領域

本發明涉及光探測技術領域，特別是涉及一種單光子探測器及制備方法。

背景技術

超導納米線單光子探測器(superconducting nanowire single-photondetector，SNSPD)作為一種新型單光子探測技術，在探測效率、暗計數率、時間抖動和最大計數率等方面的性能明顯優于其他已知的光探測器。目前，SNSPD在量子光學、單光子測距成像和量子密鑰分發等領域發揮著重要的作用。

SNSPD的系統探測效率(system detection efficiency，SDE)通常可以表達為SDE＝η_coup×η_abs×η_ide，其中η_coup為光耦合效率，η_abs為光子吸收效率，η_ide為本征探測效率。為了最大限度的接收入射光子，即提升SNSPD的η_coup，通常將SNSPD的光敏面(直徑為15～20μm)設計為由平行的超導納米線和具有一定弧度的拐角相連，形成的一根蜿蜒曲折的線條，其中，光子探測主要由平行納米線承擔，拐角作用主要在于電連接。另外，為了提升SNSPD的光子吸收效率η_abs，納米線一般需要較大的占空比。然而，當電流流過轉彎或薄膜中的尖角時，電流往往會集中在拐角內側的邊界上，即形成所謂的“電流擁擠效應”，這會導致器件整體的臨界電流降低，影響器件的本征探測效率η_ide，進而限制SNSPD的系統探測效率SDE。

近年來，一種基于超導微米線的單光子探測器也開始逐漸受到關注，它的原理是當偏置電流足夠接近超導Cooper對的拆對電流時，微米線也能進行單光子探測，然而，就要求微米線的具有足夠好的均勻性。同時，仿真計算結果表明，微米線探測器需要一個較高占空比的結構設計，才能實現高的光子吸收效率η_abs，因此，解決“電流擁擠效應”在實現高效率微米線的實際應用顯得中尤為重要。

目前，針對如何抑制拐角電流擁擠效應對于SNSPD性能的影響，比較通用的方法有兩種。

一種方法是優化平行納米線連接處拐角的弧度，將拐角進行圓角或橢圓化處理。其原理主要是通過計算超導納米線及拐角處的電流密度分布，推導拐角的最優內邊界數學方程，求解方程后，得出連接拐角最優的弧度設計，以此將拐角部分“電流擁擠效應”所帶來的不良影響降至最低。但是由于一定理想狀態下推導出的數學模型存在偏差，優化拐角弧度的理論效果存在極限。并且，在實際生產制備中，納米線仍然需要進行彎曲，無法實現理想狀態下最優的設計方案，這種方法只能緩解拐角處“電流擁擠效應”，而并不能從本質上消除它。

另一種方法則是設計低占空比結構的器件，通過減小器件中的拐角數目，達到降低拐角“電流擁擠效應”影響的目的。但是，采用低占空比設計，會影響器件的光子吸收效率η_abs，降低器件的光耦合效率η_coup，影響器件性能，從而無法應用于高探測效率的器件研究。

因此，如何在不影響器件性能的基礎上，從本質上解決拐角處的“電流擁擠效應”，已成為本領域技術人員亟待解決的問題之一。

發明內容

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種單光子探測器及制備方法，用于解決現有技術中無法從本質上解決拐角處的“電流擁擠效應”，且影響器件性能等問題。