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CN108666409A - 一种提高超导纳米线吸收效率的结构 - Google Patents

一种提高超导纳米线吸收效率的结构 Download PDF

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CN108666409A
CN108666409A CN201810440709.1A CN201810440709A CN108666409A CN 108666409 A CN108666409 A CN 108666409A CN 201810440709 A CN201810440709 A CN 201810440709A CN 108666409 A CN108666409 A CN 108666409A
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CN
China
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absorption efficiency
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superconducting
superconducting nano
wire
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CN201810440709.1A
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余旭涛
凌森银
杜恒
唐路
陈鹏
张慧
张在琛
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Southeast University
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Southeast University
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Abstract

本发明公开了一种提高超导纳米线吸收效率的结构，包括由下往上设置的衬底、单层金属薄膜、布拉格反射镜和超导纳米线；所述布拉格反射镜为多个周期交替层叠的介质薄膜结构，周期数大于等于六。本发明的结构大大减少了布拉格反射镜交替层叠的介质薄膜的周期数，使得单光子探测器结构紧凑且具有高的吸收效率。

Description

一种提高超导纳米线吸收效率的结构
技术领域
本发明涉及超导纳米线单光子探测器领域，特别是涉及一种提高超导纳米线吸收效率的结构。
背景技术
超导纳米线单光子探测器是一种于2001年发明的新型单光子探测器件，在近红外波段(780-2526nm)，超导纳米线单光子探测器在量子效率、暗计数、探测速率和时间抖动等性能指标方面明显优于其他种类的单光子探测器，目前超导纳米线单光子探测器已被应用于量子密钥分发、飞行时间深度测距应用和空地光通信等领域。
超导纳米线单光子探测器的核心组件是用薄膜超导材料制备的纳米线，应用较广的薄膜超导材料有Nb、NbN、NbTiN和WSi等。超导纳米线探测单光子探测器的工作原理是：当超导纳米线工作在超导临界温度以下，且偏置电流略低于临界电流时，单个红外光子的入射，破坏了超导纳米线中的库珀对，从而形成了有阻热点区域。之后，热点区域迫使电流绕阻区流动，从而热点周围的电流密度增大，超过临界电流密度，形成了横跨纳米线宽度的阻抗区域，显然地由于阻抗的突然变化，在纳米线两端可形成输出电压脉冲。
专利CN 104091883A申请了一种基于正面入射、布拉格反射镜的超导纳米线单光子探测器结构，该结构若要获得较高的反射率和较低的透射率，一般需要十几个周期甚至更多的交替层叠的介质薄膜，这为工艺制备带来了很大的复杂度。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种提高超导纳米线吸收效率的结构，用于解决现有技术中超导纳米线单光子探测器的结构复杂、吸收效率低、且衬底对吸收效率的影响等问题。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的提高超导纳米线吸收效率的结构，包括由下往上设置的衬底、单层金属薄膜、布拉格反射镜和超导纳米线；所述布拉格反射镜为多个周期交替层叠的介质薄膜结构，周期数大于等于六。
进一步，所述单层金属薄膜的材料为Ta、Al、Cu、Au或Ag。
进一步，所述布拉格反射镜每周期包括SiO2薄膜层和Ta2O5薄膜层。
进一步，所述布拉格反射镜中的各个薄膜层的厚度等于入射光在相应层的1/4等效波长。
进一步，所述衬底材料为Si、MgO或蓝宝石。
有益效果：本发明公开了一种提高超导纳米线吸收效率的结构，大大减少了布拉格反射镜交替层叠的介质薄膜的周期数，使得单光子探测器结构紧凑且具有高的吸收效率。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中的一种基于正面入射、提高超导纳米线吸收效率的结构的超导纳米线单光子探测器示意图；
图2为本发明具体实施方式中的超导纳米线结构示意图；
图3为本发明具体实施方式中的基于提高超导纳米线吸收效率的结构的单光子探测器的吸收效率与波长的关系示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本具体实施方式公开了一种提高超导纳米线吸收效率的结构，如图1所示，包括由下往上设置的衬底1、单层金属薄膜2、布拉格反射镜3和超导纳米线4。布拉格反射镜3为多个周期交替层叠的介质薄膜结构，周期数大于等于六。超导纳米线4的材料为NbN，宽度为75纳米，占空比为50％，厚度为8.5纳米，其结构如图2所示。
单层金属薄膜2的材料可以为Ta、Al、Cu、Au或Ag。本具体实施方式中单层金属薄膜2的材料为Ta，且厚度为100纳米。
布拉格反射镜3每周期包括SiO2薄膜层6和Ta2O5薄膜层7，且最底层(即与单层金属薄膜2接触的层)为Ta2O5薄膜层7，最上层(即与超导纳米线4接触的层)为SiO2薄膜层6。布拉格反射镜3中的各个薄膜层的厚度等于入射光在相应层的1/4等效波长。布拉格反射镜3一般是由两种不同折射率介质薄膜交替组成，并且当介质薄膜的厚度为入射光在相应层的1/4等效波长时，其可以达到高的反射率。在超导纳米线单光子探测器的实际应用中，腔体结构需要有较高的反射率和较低的透射率，这样才能使得超导纳米线的吸收效率最大化。仅采用布拉格反射镜时，若要获得理想的反射率和透射率，一般需要十几甚至更多的周期数。在本具体实施方式中，单层金属薄2膜与六个周期交替层叠的介质薄膜组合时，即可获得极高的反射率和几乎为零的透射率。
衬底1材料可以为Si、MgO或蓝宝石。本具体实施方式中衬底1的材料为Si，且厚度为400微米。
本结构采用正面入射方式，将入射光直接照射到超导纳米线4区域，避免了背面入射方式中衬底1对入射光的发散，提高了超导纳米线4的耦合效率，使其耦合效率接近100％。
如图3所示，给出了本具体实施方式中基于提高超导纳米线吸收效率的结构，纳米线的吸收效率与波长的关系示意图。可以看出，当波长为1550纳米时，其吸收效率接近100％(99.34％)。

Claims (5)

1.一种提高超导纳米线吸收效率的结构，其特征在于：包括由下往上设置的衬底、单层金属薄膜、布拉格反射镜和超导纳米线；所述布拉格反射镜为多个周期交替层叠的介质薄膜结构，周期数大于等于六。
2.根据权利要求1所述的提高超导纳米线吸收效率的结构，其特征在于：所述单层金属薄膜的材料为Ta、Al、Cu、Au或Ag。
3.根据权利要求1所述的提高超导纳米线吸收效率的结构，其特征在于：所述布拉格反射镜每周期包括SiO2薄膜层和Ta2O5薄膜层。
4.根据权利要求3所述的提高超导纳米线吸收效率的结构，其特征在于：所述布拉格反射镜中的各个薄膜层的厚度等于入射光在相应层的1/4等效波长。
5.根据权利要求1所述的提高超导纳米线吸收效率的结构，其特征在于：所述衬底材料为Si、MgO或蓝宝石。
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