極化敏感的高效超導(dǎo)納米線單光子探測器及其設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種極化敏感的高效超導(dǎo)納米線單光子探測器，包括硅基底、金膜反射層、二氧化硅介質(zhì)腔、NbN納米線和耦合反對稱分裂環(huán)諧振器，其中由下至上依次為所述硅基底、金膜反射層、二氧化硅介質(zhì)腔以及耦合反對稱分裂環(huán)諧振器，所述NbN納米線位于二氧化硅介質(zhì)腔內(nèi)部，所述NbN納米線包括多個(gè)周期排列的單元結(jié)構(gòu)，所述耦合反對稱分裂環(huán)諧振器呈周期排列。本發(fā)明還公開了一種上述探測器的設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、新穎，使用的超導(dǎo)材料NbN納米線寬度大，占空比高，對近紅外波的單光子探測效率高，計(jì)數(shù)速度快。
【專利說明】
極化敏感的高效超導(dǎo)納米線單光子探測器及其設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于量子通信、遙感和生物成像等領(lǐng)域，特別設(shè)及一種極化敏感的高效超 導(dǎo)納米線單光子探測器及其設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 相比于半導(dǎo)體探測器，工作于近紅外波段的超導(dǎo)納米線單光子探測器 (Superconducting 化nowire Single Photon Detector,簡稱SNSPD)具有高效、快速、低 暗計(jì)數(shù)和低抖動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。運(yùn)種探測器由于其曲折線的結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出本征的極化選擇性。當(dāng) 我們需要進(jìn)行光的強(qiáng)度探測時(shí)，我們要盡可能的減少運(yùn)種極化選擇性。但當(dāng)我們利用光 的極化特性如量子密鑰的加密，或測量光的極化特性，如遙感成像的偏振測定和散射介質(zhì) 中的偏振成像，我們又需要一個(gè)高極化敏感的探測器。
[0003] 我們通常用SNSro對TE波（電場方向平行于納米線）和TM波（電場方向垂直于納米 線）的吸收率之比來表示它的極化敏感性，即極化消光比（Polarization Extinction Ratio,簡稱PER)。陽R值越高說明該器件具有更強(qiáng)的極化選擇性。目前，上海微系統(tǒng)所的尤 立星等人研究高陽R的SNSP化，背面入射Si-A/4Si02-NbN腔，通過減小師N納米線寬度和減 小占空比來提高PER(最高22)，但導(dǎo)致TE吸收率過低（12%)。為保持高pm?同時(shí)提高對TE波的 吸收，Μ紅ia Csete等人在100皿寬的NbN納米線上增加納米腔光柵結(jié)構(gòu)，占空比0.13時(shí)TE吸 收在45%W下，但是該結(jié)構(gòu)的工藝難度大，幾乎不可能實(shí)現(xiàn)，非常不利于器件的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題和不足，本發(fā)明的目的是提供一種極化 敏感的高效超導(dǎo)納米線單光子探測器及設(shè)計(jì)方法，通過利用超材料結(jié)構(gòu)一-禪合反對稱分 裂環(huán)諧振器(Coupling Anti-symmetric Split Ring Resonator,也簡稱CASRR)，對TE波和 TM波極化敏感性來改善NbN曲折線本身的極化特性，同時(shí)把它結(jié)合到具有諧振腔結(jié)構(gòu)的高 效SNSro中，在得到高極化敏感特性的同時(shí)獲得高的吸收率。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、新穎，使用 的超導(dǎo)材料NbN納米線寬度大，占空比高，對近紅外波的單光子探測效率高，計(jì)數(shù)速度快。
[0005] 技術(shù)方案： 為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供的第一種技術(shù)方案為一種極化敏感的高效超導(dǎo)納米 線單光子探測器，包括娃基底、金膜反射層、二氧化娃介質(zhì)腔、NbN納米線和禪合反對稱分裂 環(huán)諧振器，其中由下至上依次為所述娃基底、金膜反射層、二氧化娃介質(zhì)腔W及禪合反對稱 分裂環(huán)諧振器，所述NbN納米線位于二氧化娃介質(zhì)腔內(nèi)部，所述NbN納米線包括多個(gè)周期排 列的單元結(jié)構(gòu)，所述禪合反對稱分裂環(huán)諧振器呈周期排列。
[0006] 本發(fā)明提供的第二種技術(shù)方案為極化敏感的高效超導(dǎo)納米線單光子探測器的設(shè) 計(jì)方法，使用FDTD solutions仿真軟件，設(shè)計(jì)方法包括如下步驟：（1)設(shè)計(jì)一個(gè)禪合反對稱 分裂環(huán)諧振器，諧振頻率在1550nm附近；（2)將所述禪合反對稱分裂環(huán)諧振器置于二分之一 波長的二氧化娃介質(zhì)腔之上，二氧化娃介質(zhì)腔的下部是lOOnm厚的金膜反射層，金膜反射層 位于1mm厚的娃基底之上；當(dāng)入射光電場方向平行于禪合反對稱分裂環(huán)諧振器的對稱軸時(shí)， 找到二氧化娃介質(zhì)腔內(nèi)電場為零的位置;（3)在電場為零處插入一NbN納米線，所述NbN納米 線包括多個(gè)周期排列的單元結(jié)構(gòu)，并垂直于禪合反對稱分裂環(huán)諧振器的對稱軸；（4)移動(dòng)最 上層的禪合反對稱分裂環(huán)諧振器，微調(diào)禪合反對稱分裂環(huán)諧振器與師N納米線之間的距離 d;巧）同時(shí)改變禪合反對稱分裂環(huán)諧振器的兩臂長之和L(即b+L2)，保證對稱度不變，目化1/ L=0.58 ,記錄入射光電場方向平行于師N納米線入射時(shí)和垂直于師N納米線入射時(shí)的吸收 率；（6)重復(fù)步驟(4)和巧），得到探測器對兩種極化方向的入射光的吸收率關(guān)于禪合反對稱 分裂環(huán)諧振器與NbN納米線的距離、禪合反對稱分裂環(huán)諧振器的兩臂長之和的二維等高線 圖；（7)比較步驟(6)得到的圖像，找到吸收率和極化消光比最佳的參數(shù)；（8)最后在水平方 向移動(dòng)NbN納米線的位置，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)。優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)的具體方法為，在NbN納米線的最佳 Z坐標(biāo)值所在x-y平面內(nèi)測量電場分布，將NbN納米線放在x-y平面內(nèi)電場最強(qiáng)的位置，即可 增大吸收率同時(shí)保持較大的極化消光比。
[0007] 有益效果:該結(jié)構(gòu)的極化敏感的探測器相比W往，結(jié)構(gòu)簡單新穎，在提高PER的同 時(shí)保持了極高的吸收率，納米線擁有寬度值大和占空比高的優(yōu)點(diǎn)，使得該探測器具有制備 簡單，探測效率高和反應(yīng)速度快的優(yōu)勢。
【附圖說明】
[0008] 圖1為極化敏感的高效超導(dǎo)納米線單光子探測器的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為禪合反對稱分裂環(huán)諧振器的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為單元結(jié)構(gòu)被TM波或者TE波入射時(shí)二氧化娃介質(zhì)腔內(nèi)電場分布W及調(diào)節(jié)參數(shù)的示 意圖； 圖4為禪合反對稱分裂環(huán)諧振器在兩種極化光入射下的傳輸譜線； 圖5為探測器的TE吸收率關(guān)于d(超材料結(jié)構(gòu)與納米線的距離）、L(超材料的兩臂長之 和）的等局線圖； 圖6為探測器的P邸關(guān)于d(超材料結(jié)構(gòu)與納米線的距離）、L(超材料的兩臂長之和)的等 局線圖； 圖7為探測器的TE吸收率和pm?隨納米線X坐標(biāo)值的變化而變化的圖像； 圖8為探測器在兩種極化光入射下的吸收譜線。
【具體實(shí)施方式】
[0009] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解運(yùn)些實(shí)施例僅用于說明 本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的使用范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明 的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0010] -、設(shè)計(jì)新型極化敏感的高效探測器 為設(shè)計(jì)新型極化敏感的高效探測器的結(jié)構(gòu)，研究了很多極化敏感的探測器。但是之前 的結(jié)構(gòu)要么結(jié)構(gòu)簡單但吸收率過低，PER也不高，要么吸收率和PER都很理想，但是結(jié)構(gòu)復(fù) 雜，不易制備。我們知道，NbN納米線的吸收率由其內(nèi)部電場大小決定，再由PER的定義 (SNSPD對TE波和TM波的吸收率之比）可W看出，減少NbN納米線條對TM波的吸收，即減弱TM 波入射時(shí)NbN納米線內(nèi)部電場強(qiáng)度，是提高PER的關(guān)鍵，為此我們設(shè)計(jì)了一種禪合反對稱分 裂環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)，運(yùn)種結(jié)構(gòu)對TE波和TM波有不同的傳輸特性，減弱納米線對TM波的吸收，增 強(qiáng)其對TE波的吸收，從而獲得很高的PER。據(jù)此，我們設(shè)計(jì)了一種簡單的超材料結(jié)構(gòu)加載的 金屬-介質(zhì)-金屬諧振腔結(jié)構(gòu)，示意圖如圖1所示，該探測器的整體結(jié)構(gòu)為Si-Au-Si〇2-NbN- CASRR，其中NbN納米線埋在Si化介質(zhì)中，在X軸呈周期分布，周期為600nm(圖1中的虛線框即 為一個(gè)周期），占空比（納米線寬度與X方向周期之比)為0.2。其上的超材料結(jié)構(gòu)CASRR在X軸 和y軸方向均呈周期分布，周期為魄Oim?:目日Oran，如圖2所示，b=335nm，Li=145nm，L2= 105皿，3=80皿，￥=50皿。該探測器對155011111波長的了6入射光吸收率高達(dá)85.5%，對1550皿 波長的TM入射光吸收率幾乎為零，PER為585。該NbN結(jié)構(gòu)是由周期排列的婉艇狀的納米線條 組成，選擇運(yùn)種結(jié)構(gòu)主要原因在于可W增大探測區(qū)域的面積，實(shí)現(xiàn)單模光纖和探測區(qū)域的 直接禪合，大大提高期間的探測效率。此外，運(yùn)種結(jié)構(gòu)可W通過矩形圖案的電子束直接寫 入，便于實(shí)驗(yàn)。最上層的超材料結(jié)構(gòu)采用禪合反對稱的分裂環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)，運(yùn)種結(jié)構(gòu)在 1550nm波長附近諧振，匯聚能量，可W調(diào)節(jié)周圍電場分布，同時(shí)對TE波和TM波有天然的通過 選擇性，而且結(jié)構(gòu)容易制作。
[0011] 為確定該結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化參數(shù)，先用基于有限時(shí)域差分法的抑TD solutions軟件進(jìn) 行大量模擬仿真，Z方向設(shè)置為PML邊界，X與y方向均設(shè)置為周期邊界，電磁場傳輸方向沿著 Z方向。圖1中娃基底的厚度d=lmm，金膜反射層的厚度為lOOnm，金膜反射層與NbN納米線之 間的二氧化娃厚度為510nm，NbN納米線的厚度為6nm，寬度120nm，每個(gè)單元結(jié)構(gòu)間隔480nm， 超材料結(jié)構(gòu)（即禪合反對稱分裂環(huán)諧振器)的厚度為l〇〇nm，NbN納米線和超材料結(jié)構(gòu)之間的 二氧化娃厚度為45nm，NbN納米線和超材料結(jié)構(gòu)的周期均為目OOnmx目日日ran。
[0012] 二、極化敏感的高效探測器的設(shè)計(jì)方法 下面介紹設(shè)計(jì)該新型探測器的方法： (1) 設(shè)計(jì)極化選擇性結(jié)構(gòu)一一禪合反對稱分裂環(huán)諧振器，其諧振波長在1550nm。如圖3 所示，對于TE波而言，它的透射光譜在1550nm有諧振峰，而對于TM波而言，傳輸系數(shù)在我們 感興趣的頻率范圍內(nèi)幾乎為1; (2) 預(yù)先設(shè)定超材料結(jié)構(gòu)加載的二氧化娃介質(zhì)腔的介質(zhì)厚度為555nm(。、丞巧），并且找 到介質(zhì)內(nèi)的TM波的電場零點(diǎn)，即Z方向的坐標(biāo)位置，如圖4所示，TM波入射時(shí)，電場為零的Z坐 標(biāo)為510nm，而此時(shí)TE波在z=510nm處的電場并不為零，可W保證一定TE吸收率和較高的 陽R; (3) 按照圖1的結(jié)構(gòu)和步驟(1)和(2)中的參數(shù)，搭建探測器單元結(jié)構(gòu)模型，其中120nm寬 600nm長的NbN納米線置于(2)中的電場零點(diǎn)，X方向和y方向的邊界條件均設(shè)置為周期條件； (3) 移動(dòng)最上層的禪合反對稱分裂環(huán)諧振器，微調(diào)禪合反對稱分裂環(huán)諧振器與NbN納米 線之間的距離d(如圖4最底下的單元結(jié)構(gòu)參數(shù)所示）； (4) 同時(shí)改變禪合反對稱分裂環(huán)諧振器的兩臂長之和L(如圖4最底下的單元結(jié)構(gòu)參數(shù) 所示），記錄入射光電場方向平行于納米線入射時(shí)和垂直于納米線入射時(shí)的吸收率； 巧)重復(fù)步驟(3)和(4)，得到探測器對兩種極化方向的入射光的吸收率關(guān)于禪合反對 稱分裂環(huán)諧振器與NbN納米線的距離d、禪合反對稱分裂環(huán)諧振器的兩臂長之和L的二維等 高線圖，如圖5所示，同時(shí)計(jì)算出PER關(guān)于d和L的二維圖，如圖6所示； (6)比較步驟巧)得到的圖像，找到吸收率和陽R最佳的參數(shù).d=45nm，L=305nm時(shí)，TE吸 收率為84.3%，PER高達(dá)522; (7)最后在水平方向移動(dòng)NbN納米線的位置，優(yōu)化結(jié)構(gòu).優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法為，在NbN 納米線的最佳Z坐標(biāo)值所在x-y平面內(nèi)測量電場分布，將NbN納米線放在x-y平面內(nèi)電場最強(qiáng) 的位置，即可增大對TE波的吸收率同時(shí)保持較大的極化消光比。如圖7所示，納米線X軸坐標(biāo) 值為20nm時(shí)，即NbN納米線偏離超材料結(jié)構(gòu)空隙中屯、20nm時(shí)，吸收率最大為85.5%，陽R可W 提局到585,如圖8所不。
[0013] Ξ、極化敏感的高效探測器的容錯(cuò)度分析 從工藝角度考量，我們還進(jìn)行了容錯(cuò)度的分析.仿真結(jié)果表明，NbN納米線的Z坐標(biāo)偏離 最佳點(diǎn)lOnmW內(nèi)對吸收率影響小于4.3%,而對陽R影響較大。為保證400 W上的陽R，師N納 米線的Z坐標(biāo)偏離最佳點(diǎn)應(yīng)控制在5nmW內(nèi)；而從圖7中可W看出NbN的X坐標(biāo)值偏差20nmW 內(nèi)，吸收率的誤差小于4%，P邸在500W上。
[0014] 四、極化敏感的高效探測器實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論 本發(fā)明設(shè)計(jì)的極化敏感的高效單光子探測器最主要的應(yīng)用方面是量子通信、遙感和生 物成像等領(lǐng)域，它們要求該探測器具備很高的極化消光比和較好的光吸收率。從圖8可知， 我們仿真設(shè)計(jì)的探測器對1550nm電場方向平行于納米線的入射光的吸收率高達(dá)85.5%，對 1550nm電場方向垂直于納米線的入射光幾乎不吸收，PER高達(dá)585，完全滿足應(yīng)用的需要。
[0015] 另外，本發(fā)明的極化敏感的高效探測器，相對文獻(xiàn)報(bào)道的光柵結(jié)構(gòu)的極化敏感探 測器，結(jié)構(gòu)簡單，減小了工藝難度，而且正面入射可W提高入射光的禪合效率。
[0016] 總之，我們利用超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的極化敏感高效探測器，主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)新穎，原 理獨(dú)特，選用材料優(yōu)越，制備方法方便，吸收率高、PER大等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際需要中，根據(jù)本專利 中的設(shè)計(jì)方法，改變結(jié)構(gòu)的參數(shù)，可W得到其他諧振頻率的探測器。因此，必將在超導(dǎo)W及 其它類型單光子探測器中得到廣泛應(yīng)用。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種極化敏感的高效超導(dǎo)納米線單光子探測器，其特征在于，包括硅基底、金膜反射 層、二氧化硅介質(zhì)腔、NbN納米線和耦合反對稱分裂環(huán)諧振器，其中由下至上依次為所述硅 基底、金膜反射層、二氧化硅介質(zhì)腔以及耦合反對稱分裂環(huán)諧振器，所述NbN納米線位于二 氧化硅介質(zhì)腔內(nèi)部，所述NbN納米線包括多個(gè)周期排列的單元結(jié)構(gòu)，所述耦合反對稱分裂環(huán) 諧振器呈周期排列。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述極化敏感的高效超導(dǎo)納米線單光子探測器，其特征在于，所述耦 合反對稱分裂環(huán)諧振器的厚度為lOOnm。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述極化敏感的高效超導(dǎo)納米線單光子探測器，其特征在于，所述 NbN為超導(dǎo)NbN，所述NbN納米線的厚度為6nm，寬度為120nm，每個(gè)所述單元結(jié)構(gòu)間隔480nm。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述極化敏感的高效超導(dǎo)納米線單光子探測器，其特征在于，所述金 膜反射層與NbN納米線之間填充的二氧化娃介質(zhì)腔的厚度為510nm，NbN納米線與親合反對 稱分裂環(huán)諧振器之間填充的二氧化硅介質(zhì)腔的厚度為45nm。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述極化敏感的高效超導(dǎo)納米線單光子探測器，其特征在于，所述金 膜反射層的厚度為100nm〇6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述極化敏感的高效超導(dǎo)納米線單光子探測器，其特征在于，所述耦 合反對稱分裂環(huán)諧振器在水平方向和垂直方向的分布周期為600nnix600mn，所述NbN納米 線在水平方向的分布周期為600nm〇7. -種極化敏感的高效超導(dǎo)納米線單光子探測器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，使用H)TD solutions仿真軟件，設(shè)計(jì)方法包括如下步驟:（1)設(shè)計(jì)一個(gè)耦合反對稱分裂環(huán)諧振器，諧振 頻率在1550nm附近；（2)將所述耦合反對稱分裂環(huán)諧振器置于二分之一波長的二氧化硅介 質(zhì)腔之上，二氧化硅介質(zhì)腔的下部是l〇〇nm厚的金膜反射層，所述金膜反射層位于1mm厚的 硅基底之上；當(dāng)入射光電場方向平行于耦合反對稱分裂環(huán)諧振器的對稱軸時(shí)，找到二氧化 娃介質(zhì)腔內(nèi)電場為零的位置;（3)在電場為零處插入一NbN納米線，所述NbN納米線包括多個(gè) 周期排列的單元結(jié)構(gòu)，并垂直于耦合反對稱分裂環(huán)諧振器的對稱軸；（4)移動(dòng)最上層的耦合 反對稱分裂環(huán)諧振器，微調(diào)耦合反對稱分裂環(huán)諧振器與NbN納米線之間的距離d;(5)同時(shí)改 變耦合反對稱分裂環(huán)諧振器的兩臂長之和L，保證對稱度不變，記錄入射光電場方向平行于 NbN納米線入射時(shí)和垂直于NbN納米線入射時(shí)的吸收率；（6)重復(fù)步驟(4)和(5)，得到探測器 對兩種極化方向的入射光的吸收率關(guān)于耦合反對稱分裂環(huán)諧振器與NbN納米線的距離、耦 合反對稱分裂環(huán)諧振器的兩臂長之和的二維等高線圖；（7)比較步驟(6)得到的圖像，找到 吸收率和極化消光比最佳的參數(shù)；（8)最后在水平方向移動(dòng)NbN納米線的位置，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參 數(shù)。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述極化敏感的高效超導(dǎo)納米線單光子探測器的設(shè)計(jì)方法，其特征 在于，所述步驟(8)中，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法為，在NbN納米線的最佳z坐標(biāo)值所在x-y平面內(nèi) 測量電場分布，將NbN納米線放在x-y平面內(nèi)電場最強(qiáng)的位置。9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述極化敏感的高效超導(dǎo)納米線單光子探測器的設(shè)計(jì)方法，其特征 在于，所述步驟(1)中，耦合反對稱分裂環(huán)諧振器的厚度為lOOnm。10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述極化敏感的高效超導(dǎo)納米線單光子探測器的設(shè)計(jì)方法，其特征 在于，所述步驟(2)和步驟(3)中，在1550nm波長處，Si，Si〇2，Au，NbN的折射率分別為3.628， 1.444，0.559+9.81 i和5.23+5.82i ;Au和NbN在其他頻率處的折射率采用Lorenz-Drude模
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK105870315SQ201610208024
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月5日
【發(fā)明人】金彪兵, 楊萌萌, 朱廣浩
【申請人】南京大學(xué)