[發(fā)明專利]一種中紅外超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110042317.1
• 申請(qǐng)日: 2021-01-13
• 公開（公告）號(hào): CN112798116B
• 公開（公告）日: 2022-03-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）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(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京大學(xué)
• 主分類號(hào): G01J11/00
• 分類號(hào): G01J11/00;H01L39/12;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 南京知識(shí)律師事務(wù)所 32207
• 代理人: 康翔

本發(fā)明公開了一種中紅外超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器，采用電子束光刻技術(shù)和反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，將含Mo、Si非晶或多晶超導(dǎo)薄膜，制成超導(dǎo)納米線，作為探測(cè)器的光敏面，實(shí)現(xiàn)了中紅外SNSPD的有效制備；采用中紅外光源、可調(diào)衰減器、準(zhǔn)直器、帶通濾波器、稀釋制冷機(jī)、光敏面、偏置器、放大器和計(jì)數(shù)器，組成探測(cè)器，采用自由空間耦合技術(shù)，有效解決了光纖耦合中紅外SNSPD的難題；發(fā)射并接收中紅外波段的光子，計(jì)算單位時(shí)間到達(dá)光敏面的光子數(shù)，為有效計(jì)算中紅外SNSPD量子探測(cè)效率奠定了基礎(chǔ)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種光子探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種紅外光子探測(cè)技術(shù)。

背景技術(shù)

中紅外輻射被定義為波長(zhǎng)處于2.5-25μm或400-4000cm^-1波數(shù)的電磁波，中紅外單光子探測(cè)技術(shù)是紅外領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。許多生物分子所輻射的熒光波長(zhǎng)均處于中紅外波段上，且信號(hào)極其微弱，幾乎達(dá)到單光子量級(jí)。在紅外天文探測(cè)領(lǐng)域，國(guó)際上在建的最新式紅外天文望遠(yuǎn)鏡，如“起源號(hào)”天文望遠(yuǎn)鏡，對(duì)中紅外探測(cè)器的噪聲等效功率要求提高到了10^-25W/Hz^1/2量級(jí)。由此可知，中紅外單光子探測(cè)器在生物分子光譜分析、化學(xué)研究、天文觀測(cè)等諸多領(lǐng)域中，具有極其重要的應(yīng)用價(jià)值和可觀的發(fā)展前景。

傳統(tǒng)的半導(dǎo)體單光子探測(cè)器，如Si PMT，僅能工作在可見光波長(zhǎng)范圍內(nèi)。Si SPADs和InGaAs SPADs的工作截止波長(zhǎng)，雖然可擴(kuò)展至近紅外，但是探測(cè)效率都不高，且暗噪聲較大。第三代半導(dǎo)體光電探測(cè)器HgCdTe、量子阱和Ⅱ類超晶格，雖然可工作在中波紅外，甚至長(zhǎng)波紅外上，但是難以實(shí)現(xiàn)單光子探測(cè)。頻率上轉(zhuǎn)換單光子探測(cè)器，雖然可以將中紅外光子進(jìn)行倍頻，使其波長(zhǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)榻t外，再采用系統(tǒng)集成的雪崩光電二極管，如InGaAs SPAD，探測(cè)單光子的效率可達(dá)20％，但是背景噪聲大。

在過去20年的時(shí)間里，超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器，superconducting nanowiresingle photon detector,簡(jiǎn)稱SNSPD，在紫外到近紅外的譜段上展現(xiàn)了十分優(yōu)越的工作性能：探測(cè)效率高，98％@1.55μm通訊波長(zhǎng)；響應(yīng)速度快，幾十MHz甚至更快；噪聲，即暗計(jì)數(shù)低，10^-3Hz；時(shí)間精度高，3ps。這使SNSPD在量子光學(xué)、衛(wèi)星激光雷達(dá)測(cè)距、深空通信、量子密鑰分發(fā)、貝爾不等式驗(yàn)證等科學(xué)領(lǐng)域，具有極其重要的應(yīng)用價(jià)值。

由于SNSPD的超導(dǎo)能隙較低，一般為幾個(gè)meV，其響應(yīng)波長(zhǎng)最長(zhǎng)可擴(kuò)展至太赫茲波段，在中紅外單光子應(yīng)用，如生物熒光光譜檢測(cè)、天文探索等領(lǐng)域，同樣存在極大的應(yīng)用潛力。雖然近年來SNSPD在中紅外探測(cè)領(lǐng)域嶄露頭角，但相關(guān)技術(shù)仍然不夠成熟，需要不斷地豐富和發(fā)展，如材料、結(jié)構(gòu)等。相比于近紅外光子，中紅外光子能量更低，要獲得較高的探測(cè)效率和靈敏度更加困難，限制了SNSPD在中紅外探測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展。如何有效提高中紅外SNSPD的量子效率和靈敏度，是中紅外超導(dǎo)單光子探測(cè)器領(lǐng)域的一大難點(diǎn)。

超導(dǎo)納米線響應(yīng)中紅外單光子的閾值模型為其中N為一個(gè)中紅外光子實(shí)際破壞超導(dǎo)納米線上超導(dǎo)庫(kù)珀對(duì)的數(shù)量，E_λ為被納米線吸收的中紅外單光子能量，f(△)為與超導(dǎo)能隙成正相關(guān)的變量因子，L為準(zhǔn)粒子擴(kuò)散長(zhǎng)度，wd為納米線的截面積大小，n₀為零偏置電流下的超導(dǎo)電子密度，I_B和I_C分別為納米線的偏置電流和超導(dǎo)臨界電流，α為常數(shù)因子。在不同的光響應(yīng)模型下，如“熱點(diǎn)”模型、擴(kuò)散“熱點(diǎn)”模型、磁通穿越模型以及磁通成核模型，α具有不同的數(shù)值。＞符號(hào)的右邊表示導(dǎo)致超導(dǎo)納米線發(fā)生完全超導(dǎo)相變所需要破壞的超導(dǎo)庫(kù)珀對(duì)數(shù)量，可知提高中紅外SNSPD光子響應(yīng)靈敏度的有效方法，可從以下幾個(gè)方面展開。

1.采用低能隙超導(dǎo)材料以減小f(△)，使一定能量的紅外光子可以破壞超導(dǎo)納米線上更多的庫(kù)珀對(duì)，產(chǎn)生有阻態(tài)的準(zhǔn)粒子，目前用于制備中紅外SNSPD制的超導(dǎo)薄膜僅有NbN、WSi和NbTiN。