[發明專利]一種超導納米線單光子探測器

有效

• 申請號: 202011233221.5
• 申請日: 2020-11-06
• 公開（公告）號: CN112345092B
• 公開（公告）日: 2022-09-27
• 發明（設計）人: 胡小龍;孟赟;鄒鍇;胡南;許亮
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01J11/00
• 分類號: G01J11/00;B82Y30/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李林娟

本發明公開了一種超導納米線單光子探測器，所述探測器包括：彎曲分形納米線結構和光學腔結構；所述彎曲分形納米線結構用于緩解電流擁擠效應且實現探測效率對入射光子的偏振態不敏感，所述彎曲分形納米線結構包括：并聯型彎曲分形納米線和串聯型彎曲分形納米線；所述光學腔結構用于實現內量子效率和吸收效率的同時優化。本發明可廣泛用于光通信、單光子成像、熒光檢測、量子光學等多個領域，該探測器卓越的性能可顯著推進這些領域的發展和進步。

技術領域

本發明涉及光電子器件領域，尤其涉及一種超導納米線單光子探測器。

背景技術

超導納米線單光子探測器(SNSPD)近幾年發展迅速，性能指標不斷被推向新的高度。美國國家標準與技術研究院Sae Woo Nam團隊于2019年利用硅化鉬超導材料在1550納米波段實現了98％的探測效率[Conference on Coherence and Quantum Optics,2019,pp.W2B-2.]；在2017年，荷蘭代爾夫特大學Val Zwiller團隊利用氮化鈦鈮超導材料在1310納米波段實現了92％的探測效率[APL Photonics,2017,2(11):111301.]，中國上海微系統所尤立星團隊利用氮化鈮超導材料在1590納米波段實現了98％的探測效率[arXivpreprint arXiv,2020,2009.14690.]。

目前，已報道的具有大于60％探測效率的SNSPD均采用回形結構納米線，但回形結構納米線使得SNSPD的吸收效率與入射光的偏振態有關，即吸收效率呈現偏振敏感性，進而導致探測效率具有偏振敏感性。中國天津大學胡小龍研究小組利用分形結構納米線實現了具有60％探測效率且偏振不敏感的SNSPD[Optics Letters,2020,45.2:471-474.]，利用分形結構納米線的自相似性，幾乎完全消除了探測效率的偏振敏感性，偏振敏感度為1.05。其中，所有偏振態中最大探測效率與最小探測效率的比值被定義為偏振敏感度。

雖然通過降低分形結構納米線的占空比來減弱電流擁擠效應，進而提高內量子效率，但是相同占空比下分形結構納米線比回形結構納米線的電流擁擠效應嚴重很多，使得分形SNSPD難以達到更飽和的內量子效率、更小的時域抖動。另外，已報道的分形SNSPD均采用了法布里-珀羅光學腔結構，在低占空比納米線的條件下，SNSPD的吸收效率顯著降低。SNSPD的探測效率是入射光場與SNSPD光敏區的耦合效率，SNSPD光敏區對入射光的吸收效率，以及SNSPD的內量子效率三者的乘積，而集成法布里-珀羅光學腔的分形SNSPD的吸收效率與內量子效率存在相互制約的關系，因此，這種制約關系限制了分形SNSPD的探測效率。

發明內容

本發明提供了一種彎曲分形超導納米線單光子探測器，本發明通過設計SNSPD納米線拓撲結構來緩解電流擁擠效應，提高內量子效率且實現探測效率偏振不敏感；另一方面，本發明設計一種光學微腔結構，用于增強納米線在目標波段的吸收效率，最終實現具有高探測效率且偏振不敏感的彎曲分形SNSPD，詳見下文描述：

一種超導納米線單光子探測器，所述探測器包括：彎曲分形納米線結構和光學腔結構；

所述彎曲分形納米線結構用于緩解電流擁擠效應且實現探測效率對入射光子的偏振態不敏感，所述彎曲分形納米線結構包括：并聯型彎曲分形納米線和串聯型彎曲分形納米線；

所述光學腔結構用于實現內量子效率和吸收效率的同時優化。

其中，所述并聯型彎曲分形納米線具體為：

多個1級結構依次逆時針旋轉90度后再串聯，得到2級結構；一對2級結構并聯，得到3級結構；多個3級結構串聯組成二維平面形成光子探測區域。

進一步地，所述串聯型彎曲分形納米線具體為：多個2級結構依次逆時針旋轉90度后再串聯形成光子探測區域。

優選地，所述彎曲分形納米線結構為占空比經過優化的彎曲分形納米線。