[發明專利]一種中紅外超導納米線單光子探測器

有效

• 申請號: 202110042317.1
• 申請日: 2021-01-13
• 公開（公告）號: CN112798116B
• 公開（公告）日: 2022-03-18
• 發明（設計）人: 張蠟寶;陳奇;葛睿;李飛燕;張彪;靳飛飛;韓航;康琳;吳培亨
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01J11/00
• 分類號: G01J11/00;H01L39/12;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 康翔

1.一種中紅外超導納米線單光子探測器，采用電子束光刻技術和反應離子刻蝕技術，將含Mo、Si非晶或多晶超導薄膜，制成超導納米線，作為探測器的光敏面；采用中紅外光源、可調衰減器、準直器、帶通濾波器、稀釋制冷機、光敏面、偏置器、放大器和計數器，組成探測器，采用自由空間耦合技術，發射并接收中紅外波段的光子，計算單位時間到達光敏面的光子數；

超導薄膜包括襯底、超導納米層、防氧化層，超導納米層位于襯底表面，防氧化層位于超導納米層表面；襯底的厚度為350μm，表面粗糙度RMS1nm，采用硅或氮化硅或氧化硅或氧化鎂；超導納米層的Mo和Si的材料組分比例為80:20，厚度為6.08nm；防氧化層采用電阻率大于10Ω·cm的Nb₅N₆絕緣薄膜，厚度為3nm；

電子束光刻技術采用電子束光刻系統、高分辨率負性電子束抗刻蝕劑和0.1-1.0nA的書寫束流，書寫超導納米線圖形；抗刻蝕劑的溶質濃度為2％，前烘溫度為90℃，烘烤時間為4min，旋涂厚度為20-50nm；電子束光刻系統的電子能量工作在100keV，束斑尺寸為2nm；

反應離子刻蝕技術采用CF₄或SF₆或O₂或CHF₃或Ar或它們的混合氣體作為刻蝕氣體，將納米線圖形轉移至MoSi薄膜上；采用溶質濃度為2.38％的TMAH顯影液，將超導納米線圖形在23℃下顯影3min，生成超導納米線，厚度為3-10nm，線寬為20-50nm，周期為50-300nm，形狀為蜿蜒結構，光敏面積為1-10000μm²；刻蝕氣體采用CF₄，流量為20sccm，氣壓為1.2Pa，刻蝕功率為50W，刻蝕時間為65s；

其特征在于，包括：

自由空間耦合技術采用中紅外光源發射寬譜中紅外光子，在自由空間中，經可調衰減器和準直器，由帶通濾波器控制入射波長，獲得特定波長的中紅外光子，耦合進入稀釋制冷機窗口，耦合到安裝在稀釋制冷機內部的光敏面，光斑尺寸不小于光敏面，將中紅外光子經過稀釋制冷機窗片的透射衰減和光子到達光敏面的耦合損失定義為一個安裝在稀釋制冷機窗片和探測器之間的固定衰減器，衰減倍率設定為A，探測光子產生的電脈沖信號，經偏置器和放大器，可調衰減器和固定衰減器將單位時間到達光敏面的紅外光子數衰減至單光子量級，接入計數器讀出光子數。

2.根據權利要求1所述的中紅外超導納米線單光子探測器，其特征在于，所述計算單位時間到達光敏面的光子數，包括：放置功率探頭在稀釋制冷機最外層窗口位置，緊貼窗口置于光軸上，測量各入射波長的光子在稀釋制冷機最外層窗口處的功率，定義為P(λ)；設定光子能量hν，經固定衰減器衰減A到達光敏面，根據公式ρ(λ)＝(P(λ)/hν)×A計算光子密度，定義為ρ(λ)；結合光敏面的面積，估算每秒到達的光子數。

3.根據權利要求1或2所述的中紅外超導納米線單光子探測器，其特征在于，所述探測器，包括：中紅外光源采用COOL-RED中紅外黑體輻射源，工作溫度為1500K，輻射波長覆蓋0.5-10μm；采用可調中性密度濾波器，調節輻射光功率大小；帶通濾波器的中心置于光軸，緊貼稀釋制冷機的最外層窗片，降溫至300mK以下；中心波長分別設置為1.55、2.00、2.25、3.00、4.00、4.26和5.07μm，更換濾波片以響應不同入射波長的光子率；采用低噪聲電壓源串聯100kΩ電阻，提供探測器偏置電流；采用增益50dB、帶寬1.5GHz、截止頻率1MHz的低噪聲常溫放大器；采用InGaAs光電二極管功率計探頭S148C Thorlabs，檢測波長為1.55-2.25μm的紅外輻射功率；采用HgCdTe積分球光電二極管功率探頭S180C Thorlabs，檢測波長為3.00-5.07μm的紅外輻射功率。