专利名称：一种复合结构的超导单光子探测器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种超导单光子探测器，尤其涉及一种复合结构的超导单光子探测器及其制备方法。
背景技术：
光探测器是光电系统的主要组成部分。高灵敏度的光探测器在国防工业、生物技术、公共安全和科学研究中发挥着关键作用。光探测器的灵敏度、噪声、响应波长、响应速度等是光探测器的主要性能指数。要实现弱光检测，甚至单光子检测，探测器系统必须要尽可能的克服热噪声等，降低探测器工作温度。因此，现有的高灵敏度光探测器均采用的制冷设计。例如，半导体制冷到零下40摄氏度，液氮降温到77K，甚至液氦降温到4. 2K。当具备工作温度4K左右时，可选用的探测器灵敏度和信噪比等大大提高，具有非常优异的性能。但由于该低温条件相对比较苛刻，因此目前的系统主要应用于实验室或大型地面工作站，极大的限制了该类探测器的应用。超导单光子探测器是一种新型单光子探测器，工作在液氦温区，该探测器的噪声极低，比传统半导体单光子探测器低3个量级。这里，我们对超导探测器的检测机理做一个简单的介绍。当超导薄膜远低于临界温度时，超导体处于超导态，如果给该薄膜通过上电流，当电流高于某一值时，超导态就会被破坏而转变为正常态。这个电流就称为临界电流，单位截面上通过的电流就成为临界电流密度.如果将超导薄膜加工成纳米条，置于远低于其临界温度环境，并通上略低于低于临界电流的电流时，该超导纳米条对入射的光子就非常敏感，利用这一原理人们发明了超导单光子检测器。超导单光子检测是一种基于超导薄膜的单光子检测技术。和常见的单光子检测器，如处于盖格模式的雪崩二极管和光电倍增管等相比，具有显著的优点。通常半导体的单光子检测器检测到一个光子后恢复到初始状态的时间很长，通常在微秒量级，因此通常限制其检测光子的速度在千赫兹量级。而超导单光子检测器的恢复时间通常在纳秒量级，比半导体的检测器高了三个数量级，并且理论上超导单光子探测器的检测速率还可以进一步提高。暗计数方面，超导单光子探测器几乎没有暗计数，而半导体检测器的暗计数非常高，能够到几万甚至更高。另外，由于半导体材料制备的探测器，其光谱相应范围都很窄，而超导单光子探测器很容易就能够覆盖可见光到红外区域.超导单光子探测器还具有电流抖动小，彳目噪比闻，检测电路简单等等优点。 目前，由于超导单光子探测器探测区域薄膜材料的透射和反射，该探测器系统效率较低，通常情况下仅3%，并且该探测器不能鉴别入射光子数。

发明内容
发明目的本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种能提高系统效率和实现光子数分辨的复合结构的超导单光子探测器。技术方案本发明通过数值模拟，结合超导电子学理论分析，设计了多层复合结构的超导单光子探测器。本发明所述的复合结构的超导单光子探测器，包括超导单光子探测器器件，所述超导单光子探测器器件为多层，多层器件的探测区域重叠但保持一定的间距，多层器件的周边通过光刻胶支撑并调节多层器件的探测区域之间的间距；多层器件的纳米线之间通过金属铟块串联。由于多层结构增加了器件的光子吸收，因此，本发明可以提高器件的探测效率。通过探测效率的分析表明，和单层结构器件相比，该探测器可以提高探测效率21.6%，本发明探测器工作温度为2 K-5 K。所述多层器件的探测区域之间的间距d为1μπι<(1<20μπι。每层器件的探测区域均为正方形，面积相同，在水平方向上平行，层间水平方向误差小于2 μ m。该复合结构的超导单光子探测器与驱动电路和测量系统相连，外部驱动电路采用与传统超导单光子探测器相同的驱动电路，器件的测量系统和传统超导单光子探测器相同。本发明加上驱动电路和测量系统即可测量入射光子。 本发明所述的复合结构的超导单光子探测器的制备方法，包括如下步骤
(1)利用超薄薄膜技术，在单晶MgO(IOO)基片上生长超薄NbN薄膜，厚度为3飞nm；
(2)通过电子束光刻和反应离子刻蚀将薄膜加工成蜿蜒结构的超导纳米线，这些纳米线覆盖的区域就是探测器的探测区域；
(3)将探测器器件旋涂光刻胶并烘干，然后对探测区域处进行曝光显影，使探测区域暴露在外；
(4)将多个器件面对面对准，对准精度高于2微米；四周通过光刻胶紧贴；然后通过金属铟块将电极连接，使纳米线间实现串联，露出外接电极。有益效果1、本发明公布的多层复合结构超导单光子探测器，可以鉴别入射光子是单光子还是多光子，实现准光子数分辨。2、本发明通过电路模型研究了该探测器的光子响应过程，采用传输矩阵方法研究了该探测器的系统效率，和传统单光子探测器相比，该探测器通过一个探测器就可以实现光子数分辨，并且提高了探测器效率，该探测器的系统效率提高了 21.6%。3、由于本发明所公布的制备方案采用了成熟的微加工技术，制备工艺简单，并且采用传统超导单光子探测器相同的驱动电路，使用非常方便。4、本发明提高了超导单光子探测器的效率，并且实现了单光子和多光子的分布。而这些正是当前超导单光子探测器领域的难点。尽管目前效率的提高有限，并且本发明还不能完全实现光子数的精确分辨，但对于推进超导单光子探测器的实际应用具有重要意义。5、因此，本发明在量子信息、国防工业、公共安全、科学研究等领域的弱光检测系统中具有重要的应用前景。


图I本发明产品的电路示意图。图2本发明产品的光子响应输出信号I。图3本发明产品的光子响应输出信号2。图4本发明产品中光子探测概率和入射光子数的关系。
具体实施例方式下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。 实施例本发明所述复合结构的超导单光子探测器，包括超导单光子探测器器件，所述超导单光子探测器器件为多层，本实施例采用两层结构，两层器件的探测区域重叠但保持一定的间距，两层器件的周边通过光刻胶支撑并调节两层器件的探测区域之间的间距；两层器件的纳米线之间通过金属铟块串联。两层器件的探测区域之间的间距d为1μπι<d<20ymo每层器件的探测区域均为正方形，面积相同，在水平方向上平行，层间水平方向误差小于2 μ m。该复合结构的超导单光子探测器与驱动电路和测量系统相连。光路系统和低温系统实验中可以通过控制入射光的衰减来模拟单光子源，激光二极管产生约ImW的连续激光，波长为404-1550nm，在该系统中，可光功率衰减器可以将激光器产生的光衰减70dB-100dB。光路的链接和光功率的衰减采用标准光通讯无源器件。低温系统采用液氦杜瓦，该低温系统提供4. 2k的低温氛围，用于保证器件工作时温度稳定在
4.2k。驱动电路电子学系统包括直流源、信号传输、信号放大和检测等。电源通过同轴电缆接到偏置树的直流段，这里所采用的偏置树的带宽为lO-lOOOmHz。偏置树的射频端通过同轴电缆连接到放大器上，这里采用的放大器为宽带低噪声放大器，电压放大倍数约400倍。通过放大器放大的信号可用高速示波器观察波形，也可用数字计数器分析光子重复速率。偏置树的另外一端通过半钢同轴电缆与器件的连接。通过放大器放大后的信号可以通过高速示波器观察。本发明所述的复合结构的超导单光子探测器的制备方法，包括如下步骤
(1)利用超薄薄膜技术，在单晶MgO(IOO)基片上成功生长了高质量超薄NbN薄膜，厚度为3 5nm ；
(2)通过电子束光刻和反应离子刻蚀将薄膜加工成蜿蜒结构的超导纳米线，这些纳米线覆盖的区域就是探测器的探测区域；
(3)将探测器器件旋涂光刻胶并烘干，然后对探测区域处进行曝光显影，使探测区域暴露在外；
(4)将两个器件面对面对准，对准精度高于2微米；四周通过光刻胶紧贴；然后通过金属铟块将电极连接，使纳米线间实现串联，露出外接电极。本发明探测器的使用方法和传统超导单光子探测器相同，具体使用步骤
(1)将该探测器连接测量光路和驱动电路；
(2)启动低温系统，获得低温环境；
(3)用万用表检测各电路接口；
(4 )打开探测器控制电源和测量电路电源，进行测量。本发明器件的等效电路图如图I。其中，IO为驱动电流，Il和12分别为器件电流和测量电路负载电流。这里，有10=11+12。输出信号通过负载50欧母获得，输出为电压脉冲信号，如图2和3。图2和3给出了本发明器件的光子响应。输出信号的电压脉冲表示一次检测结果，脉冲电压低为检测到单个光子，脉冲电压高为检测到两个或多个光子。该检测的光子数可以通过探测效率与入射光子的强度关系来验证。根据量子光学理论，检测效率与入射光子数呈一次方关系为单光子，二次方关系为双光子，三次方关系为三光子，以此类推。图4的光子探测概率严重了单光子和双光子探测，说明该探测器具有一定的光子数鉴别能力，但不能区分多光子。 如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
权利要求
1.一种复合结构的超导单光子探测器，包括超导单光子探测器器件，其特征在于所述超导单光子探测器器件为多层，多层器件的探测区域重叠但保持一定的间距，多层器件的周边通过光刻胶支撑并调节多层器件的探测区域之间的间距；多层器件的纳米线之间通过金属铟块串联。
2.根据权利要求I所述的复合结构的超导单光子探测器，其特征在于所述多层器件的探测区域之间的间距d为lym<d<20ym。
3.根据权利要求I所述的复合结构的超导单光子探测器，其特征在于每层器件的探测区域均为正方形，面积相同，在水平方向上平行，层间水平方向误差小于2 μ m。
4.根据权利要求I所述的复合结构的超导单光子探测器，其特征在于该复合结构的超导单光子探测器与驱动电路和测量系统相连。
5.根据权利要求I所述的复合结构的超导单光子探测器的制备方法，其特征在于包括如下步骤 (1)利用超薄薄膜技术，在单晶MgO(IOO)基片上生长超薄NbN薄膜，厚度为3飞nm; (2)通过电子束光刻和反应离子刻蚀将薄膜加工成蜿蜒结构的超导纳米线，这些纳米线覆盖的区域就是探测器的探测区域； (3)将探测器器件旋涂光刻胶并烘干，然后对探测区域处进行曝光显影，使探测区域暴露在外； (4)将多个器件面对面对准，对准精度高于2微米；四周通过光刻胶紧贴；然后通过金属铟块将电极连接，使纳米线间实现串联，露出外接电极。
全文摘要
本发明公开了一种复合结构的超导单光子探测器，包括超导单光子探测器器件，其特征在于所述超导单光子探测器器件为多层，多层器件的探测区域重叠但保持一定的间距，多层器件的周边通过光刻胶支撑并调节多层器件的探测区域之间的间距；多层器件的纳米线之间通过金属铟块串联。本发明还公开这种复合结构的超导单光子探测器的制备方法。本发明通过电路模型研究了该探测器的光子响应过程，采用传输矩阵方法研究了该探测器的系统效率，和传统单光子探测器相比，该探测器通过一个探测器就可以实现光子数分辨，并且提高了探测器效率，该探测器的系统效率提高了21.6%。
文档编号G01J1/42GK102620820SQ201210084940
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月28日 优先权日2012年3月28日
发明者吴培亨, 康琳, 张蜡宝, 陈健 申请人:南京大学