本發(fā)明涉及光電子器件領(lǐng)域，尤其涉及一種帶有自增益結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器。

背景技術(shù)：

超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器(SNSPD)自2001年出現(xiàn)以來，已經(jīng)成為超導(dǎo)電子學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)研究方向。作為一種新型的單光子探測(cè)技術(shù)，SNSPD具有探測(cè)效率高、暗計(jì)數(shù)低、時(shí)域抖動(dòng)小、計(jì)數(shù)率高、響應(yīng)頻譜寬、以及電路簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。

時(shí)域抖動(dòng)是SNSPD的重要性能指標(biāo)，決定了SNSPD的時(shí)間分辨能力。比如，在時(shí)間分辨的熒光譜測(cè)量中，SNSPD的時(shí)域抖動(dòng)決定了能夠測(cè)量的最短熒光壽命；在基于時(shí)間-能量糾纏的高維量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中，時(shí)域抖動(dòng)影響一個(gè)光子中所能編碼的比特?cái)?shù)；在激光測(cè)距和光時(shí)域反射系統(tǒng)中，時(shí)域抖動(dòng)影響測(cè)距精度或空間分辨率；在光子計(jì)數(shù)的通信系統(tǒng)中，時(shí)域抖動(dòng)影響誤碼率。

為了減小時(shí)域抖動(dòng)，通常的方法是增加偏置電流。由于超導(dǎo)納米線的臨界電流密度是一個(gè)定值，所以要增大偏置電流勢(shì)必要增加納米線的寬度；而增加納米線的寬度就會(huì)降低超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器的探測(cè)效率，因此在超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器的時(shí)域抖動(dòng)和探測(cè)效率之間存在矛盾。為此需要一種超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器，可以在不犧牲探測(cè)效率的前提下減小時(shí)域抖動(dòng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種帶有自增益結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器，本發(fā)明在不犧牲探測(cè)效率的情況下，減小超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器的時(shí)域抖動(dòng)，詳見下文描述：

一種帶有自增益結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器，所述超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器包括：作為光敏區(qū)的第一納米線，所述超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器還包括：

作為自增益區(qū)的第二納米線，所述第一納米線與所述第二納米線并聯(lián)連接；

所述第二納米線與所述第一納米線的寬度比值為N，N的取值大于1；

所述第一納米線用于探測(cè)光子，所述第二納米線用于儲(chǔ)存電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖信號(hào)的放大；

在所述第一納米線與所述第二納米線的并聯(lián)支路上，串聯(lián)第三納米線，所述第三納米線的寬度為第一和第二納米線的和；

所述第二納米線的長(zhǎng)度用于控制第一和第二納米線的電感比例，通過調(diào)節(jié)所述第二納米線的長(zhǎng)度，控制第一和第二納米線的長(zhǎng)度比例，進(jìn)而控制電感比例，使第一和第二納米線都處于高偏置電流的狀態(tài)；

所述第三納米線用于增加支路總電感，通過控制所述第三納米線長(zhǎng)度控制支路總電感，以此防止熱閉鎖效應(yīng)。

第一納米線吸收光子，被觸發(fā)；第一納米線的電流被分流到自增益區(qū)中；

第一納米線和第二納米線同時(shí)被觸發(fā)，偏置電流都被分流到負(fù)載電阻上，獲取到電壓幅值比較大的脈沖；

隨后第一納米線和第二納米線被冷卻，恢復(fù)超導(dǎo)狀態(tài)，偏置電流回流到第一納米線和第二納米線中，直到達(dá)到探測(cè)光子之前的狀態(tài)。

所述第一納米線為回型結(jié)構(gòu)納米線。

將所述第三納米線的長(zhǎng)度等效為串聯(lián)電感的取值，所述串聯(lián)電感的取值具體為：

令串聯(lián)電感以10nH為單位取一系列值，分別代入到電熱模型中進(jìn)行仿真，然后挑出沒有發(fā)生熱閉鎖效應(yīng)、且電感值最小的串聯(lián)電感，將最小的串聯(lián)電感對(duì)應(yīng)的電感值作為串聯(lián)電感值。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是：本發(fā)明實(shí)施例通過將傳統(tǒng)SNSPD的回型結(jié)構(gòu)納米線作為光敏區(qū)、和一根比傳統(tǒng)SNSPD納米線更粗的納米線作為自增益區(qū)并聯(lián)，同時(shí)串聯(lián)一個(gè)更粗的納米線，實(shí)現(xiàn)對(duì)SNSPD信號(hào)的自增益，并降低SNSPD的時(shí)域抖動(dòng)；通過設(shè)計(jì)串聯(lián)納米線的長(zhǎng)度，控制支路總電感，防止熱閉鎖效應(yīng)。本發(fā)明實(shí)施例在不犧牲探測(cè)效率的情況下，減小了超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器的時(shí)域抖動(dòng)，滿足了實(shí)際應(yīng)用中的多種需要。

附圖說明

圖1為帶有自增益結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器的電路示意圖；

圖2為電流自增益結(jié)構(gòu)SNSPD納米線形狀掃描電子顯微鏡照片；

圖3為不同寬度的電流自增益結(jié)構(gòu)產(chǎn)生脈沖仿真結(jié)果示意圖；

圖4為電流自增益結(jié)構(gòu)產(chǎn)生脈沖上升沿時(shí)間與自增益區(qū)寬度關(guān)系示意圖；

圖5為電流自增益結(jié)構(gòu)產(chǎn)生脈沖恢復(fù)時(shí)間與自增益區(qū)寬度關(guān)系示意圖；

圖6為上升沿幅度的一半處的斜率與自增益區(qū)寬度關(guān)系示意圖；

圖7為電流自增益結(jié)構(gòu)產(chǎn)生脈沖的幅度與自增益區(qū)寬度關(guān)系示意圖。

附圖中，各部件代表的列表如下：

1：第一納米線(作為光敏區(qū))； 2：第二納米線(作為自增益區(qū))；

3：第三納米線(作為串聯(lián)電感L_s)。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

實(shí)施例1

帶有自增益結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器(SNSPD)的電路示意圖如圖1所示，納米線形狀如圖2所示。

本發(fā)明實(shí)施例通過將傳統(tǒng)SNSPD的回型結(jié)構(gòu)納米線(即為第一納米線1，作為光敏區(qū))、和一根比傳統(tǒng)SNSPD納米線更粗的納米線(即為第二納米線2，作為自增益區(qū))并聯(lián)，同時(shí)串聯(lián)一個(gè)更粗的納米線(即為第三納米線3，第三納米線3的寬度為第一納米線1與第二納米線2的和，實(shí)現(xiàn)對(duì)SNSPD信號(hào)的自增益，并降低SNSPD的時(shí)域抖動(dòng)。通過設(shè)計(jì)串聯(lián)納米線(即第三納米線3的長(zhǎng)度等效為串聯(lián)電感L_s的電感值)的長(zhǎng)度，控制支路總電感，防止熱閉鎖效應(yīng)。

帶有自增益結(jié)構(gòu)的SNSPD探測(cè)光子的物理過程是：光敏區(qū)的第一納米線1吸收光子，從而被觸發(fā)；光敏區(qū)的第一納米線1的電流被分流到自增益區(qū)中，令自增益區(qū)被觸發(fā)；第一納米線1和第二納米線2同時(shí)被觸發(fā)，它們的偏置電流都被分流到負(fù)載電阻Z₀上，得到一個(gè)電壓幅值比較大的脈沖；隨后第一納米線1和第二納米線2被冷卻，恢復(fù)超導(dǎo)狀態(tài)，偏置電流回流到第一納米線1和第二納米線2中，直到達(dá)到探測(cè)光子之前的狀態(tài)；之后再探測(cè)下一個(gè)光子，以此類推。

帶有自增益結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器把光敏區(qū)和自增益區(qū)完全分開，只有第一納米線1需要探測(cè)光子，自增益的第二納米線2部分只用來儲(chǔ)存電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)SNSPD產(chǎn)生的脈沖信號(hào)放大。由于光敏區(qū)的第一納米線1的寬度無需增加，因此探測(cè)效率不會(huì)降低。所以帶有自增益結(jié)構(gòu)的第二納米線2可以在不犧牲吸收效率的前提下增加輸出脈沖幅度。又由于脈沖幅度增加導(dǎo)致脈沖上升沿的斜率變大，因此超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器的時(shí)域抖動(dòng)會(huì)降低。

第一納米線1表示一根比較細(xì)的納米線，用來探測(cè)光子；自增益部分，即第二納米線2表示與第一納米線1并聯(lián)的電流自增益區(qū)，這個(gè)區(qū)域不需要感光，可以做的很粗，來承載很大的電流；L_s是串聯(lián)電感，用于增大這個(gè)結(jié)構(gòu)的電響應(yīng)時(shí)間，防止熱閉鎖效應(yīng)。N表示自增益區(qū)和光敏區(qū)的納米線寬度的比值(即第一納米線1與第二納米線2寬度的比值)。

具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，N的取值根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的需要進(jìn)行設(shè)定，通常N的取值不能取太小也不能太大，若N太小的話，無法實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)的顯著放大，若N太大的話，需要串聯(lián)的電感也要更大，由于串聯(lián)電感L_s具有隔交流信號(hào)的作用，太大的串聯(lián)電感L_s會(huì)導(dǎo)致偏置電流無法從負(fù)載電阻Z₀回流到第一納米線1和第二納米線2中。

首先，為了保證光敏區(qū)的第一納米線1、以及自增益部分的第二納米線2線都能觸發(fā)，需要第一納米線1和第二納米線2都偏置在臨界電流附近。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，由于納米線的電感和電阻一樣，會(huì)對(duì)總的偏置電流進(jìn)行分流，所以當(dāng)N確定之后，需要通過調(diào)整第一納米線1和第二兩根納米線2的長(zhǎng)度比例(即通過增加第三納米線3)來調(diào)整第一納米線1和第二納米線2的電感比例，從而調(diào)整第一納米線1和第二納米線2的偏置電流比例，使第一納米線1和第二納米線2都處于高偏置電流的狀態(tài)。這是本發(fā)明實(shí)施例獨(dú)創(chuàng)的結(jié)構(gòu)。

接下來就要設(shè)計(jì)串聯(lián)電感L_s(即，將第三納米線3的長(zhǎng)度等效為串聯(lián)電感L_s的電感值)的值，防止熱閉鎖效應(yīng)。如果電流回流的過快，會(huì)導(dǎo)致光敏區(qū)的第一納米線1、和自增益區(qū)的第二納米線2產(chǎn)生大量電阻熱。第一納米線1和第二納米線2持續(xù)被加熱，與納米線的熱擴(kuò)散形成熱平衡，導(dǎo)致第一納米線1和第二納米線2不能被冷卻，恢復(fù)超導(dǎo)狀態(tài)，無法探測(cè)下一個(gè)光子，這就是熱閉鎖效應(yīng)。

為了防止熱閉鎖效應(yīng)，需要串聯(lián)一個(gè)電感L_s，阻礙電流回流，使得第一納米線1和第二納米線2有充分的時(shí)間被冷卻回超導(dǎo)狀態(tài)。但如果串聯(lián)電感L_s過大，會(huì)導(dǎo)致電流回流過慢，所以探測(cè)器就需要花很長(zhǎng)的時(shí)間才能恢復(fù)到探測(cè)之前的狀態(tài)并探測(cè)下一個(gè)光子，會(huì)增加探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間。

為了找到一個(gè)合適的串聯(lián)電感值，需要令串聯(lián)電感L_s以10nH為單位取一系列值，分別代入到電熱模型中進(jìn)行仿真，然后挑出沒有發(fā)生熱閉鎖效應(yīng)、且電感值最小的串聯(lián)電感，將最小的串聯(lián)電感對(duì)應(yīng)的電感值作為設(shè)計(jì)中使用的串聯(lián)電感值。

其中，電熱模型為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，本發(fā)明實(shí)施例對(duì)此不做贅述。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例在不犧牲探測(cè)效率的情況下，減小了超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器的時(shí)域抖動(dòng)，滿足了實(shí)際應(yīng)用中的多種需要。

實(shí)施例2

電流自增益結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器的部分加工流程如下：

1、清洗襯底；

2、磁控濺射4-6mm的NbN(氮化鈮)薄膜；

3、將兩英寸的襯底切成1cm×1cm的小片子；

4、光刻電極和對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記

1)清洗片子(丙酮+酒精+去離子水)；

2)甩膠(NR9-3000PY(光刻膠)，預(yù)甩588rpm，10s，正式甩2940rpm，50s)；

3)前烘(120℃，5min)；

4)曝光(測(cè)試dose matrix(曝光劑量測(cè)試方法)之后)；

5)中烘(95℃，3min)；

6)顯影(RD6(顯影液))，定影(去離子水)。

5、電子束曝光納米線+納米線刻蝕

1)甩膠(HSQ(電子束曝光膠)，預(yù)甩588rpm，10s，正式甩3528rpm，100s)；

2)前烘(90℃，1min)；

3)電子束曝光(測(cè)試dose matrix之后)；

4)顯影(TMAH(顯影液)，90s)，定影(流動(dòng)的去離子水)；

刻蝕納米線(RIE(反應(yīng)離子束刻蝕))。

由于帶有自增益結(jié)構(gòu)的SNSPD可以把SNSPD的信號(hào)放大16倍以上，此功能相當(dāng)于一個(gè)外電路的信號(hào)放大器，因此自增益的納米線結(jié)構(gòu)可以替代外電路的放大器，減小由放大器引入的噪聲。由于時(shí)域抖動(dòng)隨著信號(hào)上的噪聲的減少而減少，因此替代掉外電路放大器可以進(jìn)一步降低時(shí)域抖動(dòng)。

其中，本發(fā)明實(shí)施例僅給出了電流自增益結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器的部分加工流程，具體的加工過程為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，本發(fā)明實(shí)施例對(duì)此不做贅述。

實(shí)施例3

本發(fā)明實(shí)施例用電熱模型仿真了電流自增益結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器的脈沖波形，并對(duì)不同寬度的電流自增益結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器進(jìn)行了比較分析，電熱模型仿真結(jié)果如下：

由圖3到圖6可以看出，隨著自增益區(qū)寬度的增加，盡管脈沖的上升時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間都越來越大，但是在上升沿一半處的斜率不僅沒有減小，反而在不斷增大。對(duì)于相同的噪聲幅度，上升沿一半對(duì)應(yīng)的斜率越大，時(shí)域抖動(dòng)越小。因此具有自增益結(jié)構(gòu)的SNSPD可以降低時(shí)域抖動(dòng)，驗(yàn)證了本方法的可行性。

由圖7以看出，電流自增益結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器輸出脈沖幅度，基本和自增益區(qū)(第二納米線2)寬度呈正比關(guān)系，當(dāng)自增益區(qū)寬度為1.5微米時(shí)，由于第一納米線1的寬度是100nm，所以兩根納米線的寬度變?yōu)?.6微米，是標(biāo)準(zhǔn)超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器寬度的16倍，因此偏置電流擴(kuò)大16倍，輸出脈沖幅度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器的脈沖幅度的16倍。若再增加自增益區(qū)的寬度，可以預(yù)見，帶有自增益結(jié)構(gòu)的SNSPD的脈沖幅度的放大倍數(shù)還可以超過16倍。

本發(fā)明實(shí)施例對(duì)各器件的型號(hào)除做特殊說明的以外，其他器件的型號(hào)不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的示意圖，上述本發(fā)明實(shí)施例序號(hào)僅僅為了描述，不代表實(shí)施例的優(yōu)劣。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。