專利名稱：一種復(fù)合結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)單光子探測器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超導(dǎo)單光子探測器，尤其涉及一種復(fù)合結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)單光子探測器及其制備方法。
背景技術(shù)：
光探測器是光電系統(tǒng)的主要組成部分。高靈敏度的光探測器在國防工業(yè)、生物技術(shù)、公共安全和科學(xué)研究中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。光探測器的靈敏度、噪聲、響應(yīng)波長、響應(yīng)速度等是光探測器的主要性能指數(shù)。要實現(xiàn)弱光檢測，甚至單光子檢測，探測器系統(tǒng)必須要盡可能的克服熱噪聲等，降低探測器工作溫度。因此，現(xiàn)有的高靈敏度光探測器均采用的制冷設(shè)計。例如，半導(dǎo)體制冷到零下40攝氏度，液氮降溫到77K，甚至液氦降溫到4. 2K。當(dāng)具備工作溫度4K左右時，可選用的探測器靈敏度和信噪比等大大提高，具有非常優(yōu)異的性能。但由于該低溫條件相對比較苛刻，因此目前的系統(tǒng)主要應(yīng)用于實驗室或大型地面工作站，極大的限制了該類探測器的應(yīng)用。超導(dǎo)單光子探測器是一種新型單光子探測器，工作在液氦溫區(qū)，該探測器的噪聲極低，比傳統(tǒng)半導(dǎo)體單光子探測器低3個量級。這里，我們對超導(dǎo)探測器的檢測機理做一個簡單的介紹。當(dāng)超導(dǎo)薄膜遠(yuǎn)低于臨界溫度時，超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)，如果給該薄膜通過上電流，當(dāng)電流高于某一值時，超導(dǎo)態(tài)就會被破壞而轉(zhuǎn)變?yōu)檎B(tài)。這個電流就稱為臨界電流，單位截面上通過的電流就成為臨界電流密度.如果將超導(dǎo)薄膜加工成納米條，置于遠(yuǎn)低于其臨界溫度環(huán)境，并通上略低于低于臨界電流的電流時，該超導(dǎo)納米條對入射的光子就非常敏感，利用這一原理人們發(fā)明了超導(dǎo)單光子檢測器。超導(dǎo)單光子檢測是一種基于超導(dǎo)薄膜的單光子檢測技術(shù)。和常見的單光子檢測器，如處于蓋格模式的雪崩二極管和光電倍增管等相比，具有顯著的優(yōu)點。通常半導(dǎo)體的單光子檢測器檢測到一個光子后恢復(fù)到初始狀態(tài)的時間很長，通常在微秒量級，因此通常限制其檢測光子的速度在千赫茲量級。而超導(dǎo)單光子檢測器的恢復(fù)時間通常在納秒量級，比半導(dǎo)體的檢測器高了三個數(shù)量級，并且理論上超導(dǎo)單光子探測器的檢測速率還可以進(jìn)一步提高。暗計數(shù)方面，超導(dǎo)單光子探測器幾乎沒有暗計數(shù)，而半導(dǎo)體檢測器的暗計數(shù)非常高，能夠到幾萬甚至更高。另外，由于半導(dǎo)體材料制備的探測器，其光譜相應(yīng)范圍都很窄，而超導(dǎo)單光子探測器很容易就能夠覆蓋可見光到紅外區(qū)域.超導(dǎo)單光子探測器還具有電流抖動小，彳目噪比聞，檢測電路簡單等等優(yōu)點。 目前，由于超導(dǎo)單光子探測器探測區(qū)域薄膜材料的透射和反射，該探測器系統(tǒng)效率較低，通常情況下僅3%，并且該探測器不能鑒別入射光子數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能提高系統(tǒng)效率和實現(xiàn)光子數(shù)分辨的復(fù)合結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)單光子探測器。技術(shù)方案本發(fā)明通過數(shù)值模擬，結(jié)合超導(dǎo)電子學(xué)理論分析，設(shè)計了多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)單光子探測器。本發(fā)明所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)單光子探測器，包括超導(dǎo)單光子探測器器件，所述超導(dǎo)單光子探測器器件為多層，多層器件的探測區(qū)域重疊但保持一定的間距，多層器件的周邊通過光刻膠支撐并調(diào)節(jié)多層器件的探測區(qū)域之間的間距；多層器件的納米線之間通過金屬銦塊串聯(lián)。由于多層結(jié)構(gòu)增加了器件的光子吸收，因此，本發(fā)明可以提高器件的探測效率。通過探測效率的分析表明，和單層結(jié)構(gòu)器件相比，該探測器可以提高探測效率21.6%，本發(fā)明探測器工作溫度為2 K-5 K。所述多層器件的探測區(qū)域之間的間距d為1μπι<(1<20μπι。每層器件的探測區(qū)域均為正方形，面積相同，在水平方向上平行，層間水平方向誤差小于2 μ m。該復(fù)合結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)單光子探測器與驅(qū)動電路和測量系統(tǒng)相連，外部驅(qū)動電路采用與傳統(tǒng)超導(dǎo)單光子探測器相同的驅(qū)動電路，器件的測量系統(tǒng)和傳統(tǒng)超導(dǎo)單光子探測器相同。本發(fā)明加上驅(qū)動電路和測量系統(tǒng)即可測量入射光子。 本發(fā)明所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)單光子探測器的制備方法，包括如下步驟
(1)利用超薄薄膜技術(shù)，在單晶MgO(IOO)基片上生長超薄NbN薄膜，厚度為3飛nm；
(2)通過電子束光刻和反應(yīng)離子刻蝕將薄膜加工成蜿蜒結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)納米線，這些納米線覆蓋的區(qū)域就是探測器的探測區(qū)域；
(3)將探測器器件旋涂光刻膠并烘干，然后對探測區(qū)域處進(jìn)行曝光顯影，使探測區(qū)域暴露在外；
(4)將多個器件面對面對準(zhǔn)，對準(zhǔn)精度高于2微米；四周通過光刻膠緊貼；然后通過金屬銦塊將電極連接，使納米線間實現(xiàn)串聯(lián)，露出外接電極。有益效果1、本發(fā)明公布的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)超導(dǎo)單光子探測器，可以鑒別入射光子是單光子還是多光子，實現(xiàn)準(zhǔn)光子數(shù)分辨。2、本發(fā)明通過電路模型研究了該探測器的光子響應(yīng)過程，采用傳輸矩陣方法研究了該探測器的系統(tǒng)效率，和傳統(tǒng)單光子探測器相比，該探測器通過一個探測器就可以實現(xiàn)光子數(shù)分辨，并且提高了探測器效率，該探測器的系統(tǒng)效率提高了 21.6%。3、由于本發(fā)明所公布的制備方案采用了成熟的微加工技術(shù)，制備工藝簡單，并且采用傳統(tǒng)超導(dǎo)單光子探測器相同的驅(qū)動電路，使用非常方便。4、本發(fā)明提高了超導(dǎo)單光子探測器的效率，并且實現(xiàn)了單光子和多光子的分布。而這些正是當(dāng)前超導(dǎo)單光子探測器領(lǐng)域的難點。盡管目前效率的提高有限，并且本發(fā)明還不能完全實現(xiàn)光子數(shù)的精確分辨，但對于推進(jìn)超導(dǎo)單光子探測器的實際應(yīng)用具有重要意義。5、因此，本發(fā)明在量子信息、國防工業(yè)、公共安全、科學(xué)研究等領(lǐng)域的弱光檢測系統(tǒng)中具有重要的應(yīng)用前景。


圖I本發(fā)明產(chǎn)品的電路示意圖。圖2本發(fā)明產(chǎn)品的光子響應(yīng)輸出信號I。圖3本發(fā)明產(chǎn)品的光子響應(yīng)輸出信號2。圖4本發(fā)明產(chǎn)品中光子探測概率和入射光子數(shù)的關(guān)系。
具體實施例方式下面對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于所述實施例。 實施例本發(fā)明所述復(fù)合結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)單光子探測器，包括超導(dǎo)單光子探測器器件，所述超導(dǎo)單光子探測器器件為多層，本實施例采用兩層結(jié)構(gòu)，兩層器件的探測區(qū)域重疊但保持一定的間距，兩層器件的周邊通過光刻膠支撐并調(diào)節(jié)兩層器件的探測區(qū)域之間的間距；兩層器件的納米線之間通過金屬銦塊串聯(lián)。兩層器件的探測區(qū)域之間的間距d為1μπι<d<20ymo每層器件的探測區(qū)域均為正方形，面積相同，在水平方向上平行，層間水平方向誤差小于2 μ m。該復(fù)合結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)單光子探測器與驅(qū)動電路和測量系統(tǒng)相連。光路系統(tǒng)和低溫系統(tǒng)實驗中可以通過控制入射光的衰減來模擬單光子源，激光二極管產(chǎn)生約ImW的連續(xù)激光，波長為404-1550nm，在該系統(tǒng)中，可光功率衰減器可以將激光器產(chǎn)生的光衰減70dB-100dB。光路的鏈接和光功率的衰減采用標(biāo)準(zhǔn)光通訊無源器件。低溫系統(tǒng)采用液氦杜瓦，該低溫系統(tǒng)提供4. 2k的低溫氛圍，用于保證器件工作時溫度穩(wěn)定在
4.2k。驅(qū)動電路電子學(xué)系統(tǒng)包括直流源、信號傳輸、信號放大和檢測等。電源通過同軸電纜接到偏置樹的直流段，這里所采用的偏置樹的帶寬為lO-lOOOmHz。偏置樹的射頻端通過同軸電纜連接到放大器上，這里采用的放大器為寬帶低噪聲放大器，電壓放大倍數(shù)約400倍。通過放大器放大的信號可用高速示波器觀察波形，也可用數(shù)字計數(shù)器分析光子重復(fù)速率。偏置樹的另外一端通過半鋼同軸電纜與器件的連接。通過放大器放大后的信號可以通過高速示波器觀察。本發(fā)明所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)單光子探測器的制備方法，包括如下步驟
(1)利用超薄薄膜技術(shù)，在單晶MgO(IOO)基片上成功生長了高質(zhì)量超薄NbN薄膜，厚度為3 5nm ；
(2)通過電子束光刻和反應(yīng)離子刻蝕將薄膜加工成蜿蜒結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)納米線，這些納米線覆蓋的區(qū)域就是探測器的探測區(qū)域；
(3)將探測器器件旋涂光刻膠并烘干，然后對探測區(qū)域處進(jìn)行曝光顯影，使探測區(qū)域暴露在外；
(4)將兩個器件面對面對準(zhǔn)，對準(zhǔn)精度高于2微米；四周通過光刻膠緊貼；然后通過金屬銦塊將電極連接，使納米線間實現(xiàn)串聯(lián)，露出外接電極。本發(fā)明探測器的使用方法和傳統(tǒng)超導(dǎo)單光子探測器相同，具體使用步驟
(1)將該探測器連接測量光路和驅(qū)動電路；
(2)啟動低溫系統(tǒng)，獲得低溫環(huán)境；
(3)用萬用表檢測各電路接口；
(4 )打開探測器控制電源和測量電路電源，進(jìn)行測量。本發(fā)明器件的等效電路圖如圖I。其中，IO為驅(qū)動電流，Il和12分別為器件電流和測量電路負(fù)載電流。這里，有10=11+12。輸出信號通過負(fù)載50歐母獲得，輸出為電壓脈沖信號，如圖2和3。圖2和3給出了本發(fā)明器件的光子響應(yīng)。輸出信號的電壓脈沖表示一次檢測結(jié)果，脈沖電壓低為檢測到單個光子，脈沖電壓高為檢測到兩個或多個光子。該檢測的光子數(shù)可以通過探測效率與入射光子的強度關(guān)系來驗證。根據(jù)量子光學(xué)理論，檢測效率與入射光子數(shù)呈一次方關(guān)系為單光子，二次方關(guān)系為雙光子，三次方關(guān)系為三光子，以此類推。圖4的光子探測概率嚴(yán)重了單光子和雙光子探測，說明該探測器具有一定的光子數(shù)鑒別能力，但不能區(qū)分多光子。 如上所述，盡管參照特定的優(yōu)選實施例已經(jīng)表示和表述了本發(fā)明，但其不得解釋為對本發(fā)明自身的限制。在不脫離所附權(quán)利要求定義的本發(fā)明的精神和范圍前提下，可對其在形式上和細(xì)節(jié)上作出各種變化。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)單光子探測器，包括超導(dǎo)單光子探測器器件，其特征在于所述超導(dǎo)單光子探測器器件為多層，多層器件的探測區(qū)域重疊但保持一定的間距，多層器件的周邊通過光刻膠支撐并調(diào)節(jié)多層器件的探測區(qū)域之間的間距；多層器件的納米線之間通過金屬銦塊串聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)單光子探測器，其特征在于所述多層器件的探測區(qū)域之間的間距d為lym<d<20ym。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)單光子探測器，其特征在于每層器件的探測區(qū)域均為正方形，面積相同，在水平方向上平行，層間水平方向誤差小于2 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)單光子探測器，其特征在于該復(fù)合結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)單光子探測器與驅(qū)動電路和測量系統(tǒng)相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)單光子探測器的制備方法，其特征在于包括如下步驟 (1)利用超薄薄膜技術(shù)，在單晶MgO(IOO)基片上生長超薄NbN薄膜，厚度為3飛nm; (2)通過電子束光刻和反應(yīng)離子刻蝕將薄膜加工成蜿蜒結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)納米線，這些納米線覆蓋的區(qū)域就是探測器的探測區(qū)域； (3)將探測器器件旋涂光刻膠并烘干，然后對探測區(qū)域處進(jìn)行曝光顯影，使探測區(qū)域暴露在外； (4)將多個器件面對面對準(zhǔn)，對準(zhǔn)精度高于2微米；四周通過光刻膠緊貼；然后通過金屬銦塊將電極連接，使納米線間實現(xiàn)串聯(lián)，露出外接電極。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種復(fù)合結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)單光子探測器，包括超導(dǎo)單光子探測器器件，其特征在于所述超導(dǎo)單光子探測器器件為多層，多層器件的探測區(qū)域重疊但保持一定的間距，多層器件的周邊通過光刻膠支撐并調(diào)節(jié)多層器件的探測區(qū)域之間的間距；多層器件的納米線之間通過金屬銦塊串聯(lián)。本發(fā)明還公開這種復(fù)合結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)單光子探測器的制備方法。本發(fā)明通過電路模型研究了該探測器的光子響應(yīng)過程，采用傳輸矩陣方法研究了該探測器的系統(tǒng)效率，和傳統(tǒng)單光子探測器相比，該探測器通過一個探測器就可以實現(xiàn)光子數(shù)分辨，并且提高了探測器效率，該探測器的系統(tǒng)效率提高了21.6%。
文檔編號G01J1/42GK102620820SQ201210084940
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月28日
發(fā)明者吳培亨, 康琳, 張蠟寶, 陳健 申請人:南京大學(xué)