[發明專利]具有中紅外高光吸收特性的超導納米線單光子探測器

在審

• 申請號: 202210080291.4
• 申請日: 2022-01-24
• 公開（公告）號: CN114530509A
• 公開（公告）日: 2022-05-24
• 發明（設計）人: 趙雨辰;田浩;劉江凡;宋忠國;席曉莉
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: H01L31/0232
• 分類號: H01L31/0232;H01L31/0352
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 許志蛟

本發明公開的具有中紅外高光吸收特性的超導納米線單光子探測器，包括自上而下依次設置的納米線層、二氧化硅腔、分布式布拉格反射鏡以及襯底，納米線層采用單層NbN納米線或雙層NbN納米線。然后以3?5μm波長范圍內光吸收率的最小值作為目標函數，通過粒子群算法/PSO來尋求初始結構中二氧化硅腔、DBR的高折射率薄膜和低折射率薄膜這三者厚度的最優解，實現了具有3?5μm寬帶高光吸收率以及較好帶內平坦度特性的SNSPD設計。當入射光垂直入射時，在3?5μm目標波長范圍內，優化后的單層NbN納米線結構的光吸收率最小值為0.526，最大值為0.779，帶內平坦度可以低至0.253；雙層NbN納米線結構的最小值和最大值則分別達到了0.748和0.974，帶內平坦度可以低至0.226。

技術領域

本發明屬于紅外光電探測器技術領域，涉及一種具有中紅外高光吸收特性的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因其所具有的暗計數低、響應頻譜寬、時間抖動小、重復速度快等優點，已在過去的二十年中得到了飛速的發展并被廣泛應用于各個相關的前沿技術領域，例如遠距離量子通信，單光子成像等。而隨著新需求的不斷涌現，對于SNSPD的光子響應機制、極化不敏感結構設計等多個方面的研究也正在不斷深入。而具有中紅外高探測效率的SNSPD因其在諸如光譜分析、天文觀測等領域的重要應用價值，正受到越來越多的關注。

SNSPD在近紅外波段現有技術已經較為成熟，其通常采用線寬約100nm左右的超導納米蜿蜒線結構并引入納米天線、光學腔、多層介質結、高折射率介質、分形結構、波導集成等結構進一步提高光吸收率。而在中紅外波段，雖然采用線寬約30-50nm左右的超窄納米蜿蜒線結構能夠較為有效地解決單個光子能量的顯著降低以及由此導致的熱點難以觸發納米線阻態的問題，但是SNSPD的高光吸收率設計，特別是寬帶光吸收設計時較好的帶內平坦度設計仍然有待進一步研究。

發明內容

本發明的目的是提供一種具有中紅外高光吸收特性的超導納米線單光子探測器，解決了現有技術中存在的探測器寬帶光吸收效率設計時難以同時保證高光吸收率峰值和較好帶內平坦度的問題。

本發明所采用的技術方案是，具有中紅外高光吸收特性的超導納米線單光子探測器，包括自上而下依次設置的納米線層、二氧化硅腔、分布式布拉格反射鏡以及襯底。

本發明的特點還在于，

分布式布拉格反射鏡由高折射率薄膜和低折射率薄膜交替構成，高折射率薄膜采用氧化釔穩定氧化鋯，折射率為5；低折射率薄膜采用二氧化硅，折射率為1.444；所述分布式布拉格反射鏡的周期數為4。

襯底采用BK7玻璃襯底，厚度為400μm，折射率為1.5055。

納米線層采用單層氮化鈮納米線結構，所述氮化鈮納米線厚度為4nm，線寬為30nm，占空比為1/3。

納米線層采用單層氮化鈮納米線結構時，二氧化硅腔厚度為650nm，氧化釔穩定氧化鋯高折射率薄膜厚度為187nm，所述二氧化硅低折射率薄膜厚度為663nm。

納米線層采用雙層氮化鈮納米線結構，包括自上而下依次設置的氮化鈮納米線、二氧化硅隔離層和氮化鈮納米線，所述氮化鈮納米線厚度為4nm，線寬為30nm，占空比為1/3；所述二氧化硅隔離層厚度為3nm。

納米線層采用雙層氮化鈮納米線結構時，二氧化硅腔厚度為658nm，氧化釔穩定氧化鋯高折射率薄膜厚度為187nm，二氧化硅低折射率薄膜厚度為636nm。

本發明的有益效果是：