一种基于TM0模吸收的超导纳米线单光子探测器及探测方法技术

本发明专利技术提供一种基于TM0模吸收的超导纳米线单光子探测器及探测方法，包括：定向耦合器，用于实现TE0模式至TE1模式的转换；偏振旋转器，与所述定向耦合器连接，用于实现TE1模式至TM0模式的转换；纳米线单光子探测器，与所述偏振旋转器连接，用于实现对TM0模式的吸收及探测。本发明专利技术的基于TM0模吸收的超导纳米线单光子探测器结构简单，是在SOI结构的基础上实现TE0模至TM0模的高效转换，并由纳米线单光子探测器快速吸收并探测，不仅极大地缩短了纳米线所需长度，从而降低了纳米线制作所要求的工艺条件，还保护器件避免被刻蚀剂破坏，使得器件工作性能稳定。工作性能稳定。工作性能稳定。

【技术实现步骤摘要】
一种基于TM0模吸收的超导纳米线单光子探测器及探测方法


[0001]本专利技术属于集成量子芯片领域，涉及一种基于TM0模吸收的超导纳米线单光子探测器及探测方法。

技术介绍

[0002]具备高探测效率的单光子探测器在光量子领域有着重要的应用，尤其是一些基于探测的应用，比如光量子计算、量子密钥分发、量子玻色采样、loophole
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free贝尔实验等。在1550nm通讯波段，InGaAs近红外雪崩二极管探测器是当前主流的探测器，但是这种探测器暗计数较大，探测效率通常低于30％。另外，这种探测器是片外的独立结构，不满足小型化、集成化的发展趋势。
[0003]超导纳米线单光子探测器(SNSPD)是近年来发展迅速的单光子探测器，这种探测器是一种利用超导纳米膜线进行光子检测的高灵敏光子探测器，具有效率高、计数率高、暗计数小、时间抖动小等优点，辅助谐振腔、反射镜等结构，在1550nm波段单光子探测效率可以高达90％以上，暗计数小于100Hz。但是传统的SNSPD都是采用光纤垂直入射的方式，不满足片上集成的要求，另外谐振腔等结构限制了带宽。
[0004]目前，一种波导行波耦合SNSPD是一个较佳方案，采用波导倏逝波耦合的吸收方式，该吸收方式由片外转移至片上，并且不需要谐振腔结构就可以实现很高的吸收效率，可以很好的解决垂直入射SNSPD的缺陷。基于波导行波耦合的SNSPD已经在多种材料体系上实现，如SOI、SiN、GaAs等，并且已经应用于一些重要的器件，如可区分光子数的探测器、双光子干涉实验等。但是总的看来，这些SNSPD用的都是准横电模(TE)吸收的方式，由于TE模电场的方向问题，通常需要几十微米长的NbN纳米线才能完成近乎100％的吸收，并且这些结构需要直接将NbN薄膜生长在波导的上方，这对NbN纳米线的制作工艺提出了较高的要求，一是NbN薄膜只有几纳米的厚度以及较长的结构导致良率较低；二是需要精准控制NbN的刻蚀过程，否则过刻蚀将会破坏波导的上表面，带来散射损耗。

技术实现思路

[0005]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于TM0模吸收的超导纳米线单光子探测器及探测方法，用于解决现有技术中存在的超导纳米线单光子探测器结构复杂、要求工艺条件较高以及良率低的问题。
[0006]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种基于TM0模吸收的超导纳米线单光子探测器，包括：
[0007]定向耦合器，用于实现TE0模式至TE1模式的转换；
[0008]偏振旋转器，与所述定向耦合器连接，用于实现TE1模式至TM0模式的转换；
[0009]纳米线单光子探测器，与所述偏振旋转器连接，用于实现对TM0模式的吸收及探测。
[0010]可选地，所述定向耦合器包括平行耦合线定向耦合器。
[0011]可选地，所述定向耦合器包括间隔设置的主波导与副波导，所述主波导的宽度小于所述副波导的宽度，其中，所述主波导包括依次相连的第一段、第二段及第三段，所述第三段与所述副波导相互平行且耦合。
[0012]可选地，所述定向耦合器具有输入端口，所述输入端口配置于所述主波导的一端部以向所述主波导输入TE0模式，所述副波导与所述主波导电磁耦合并取出TE1模式。
[0013]可选地，所述偏振旋转器包括依次相连的第一波导、第二波导及第三波导，所述第一波导与所述定向耦合器连接。
[0014]可选地，所述第一波导、所述第二波导、所述第三波导的宽度分别呈线性渐变。
[0015]可选地，所述纳米线单光子探测器包括：
[0016]衬底；
[0017]绝缘层，位于所述衬底表面；
[0018]波导，位于所述绝缘层表面；
[0019]覆盖层，位于所述绝缘层上，且包覆所述波导的裸露表面；
[0020]超导纳米线，位于所述覆盖层表面。
[0021]可选地，所述绝缘层的材质包括SiO2。
[0022]可选地，所述覆盖层的材质包括SiO2，所述覆盖层上表面与所述波导上表面之间的距离不超过50nm，所述覆盖层的粗糙度小于1nm。
[0023]可选地，所述超导纳米线呈直角曲折的方波形状，所述超导纳米线的两端部分别与正负电极连接。
[0024]可选地，所述超导纳米线沿TM0传输方向的长度范围是5
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10μm。
[0025]可选地，所述超导纳米线材料选自NbN、NbTiN、TiN、TaN、WSi、Nb及MoGe中的一种。
[0026]本专利技术还提供一种基于TM0模吸收的超导纳米线单光子探测器的探测方法，包括以下步骤：
[0027]通过定向耦合器的输入端口输入TE0模式的光波；
[0028]TE0模式由主波导耦合至副波导，并转换为TE1模式；
[0029]TE1模式于偏振转换器中实现向TM0模式的转换；
[0030]纳米线单光子探测器通过倏逝波耦合的方法实现对TM0模式的吸收及探测。
[0031]如上所述，本专利技术的一种基于TM0模吸收的超导纳米线单光子探测器具有以下有益效果：
[0032](1)纳米线单光子探测器采用TM0模吸收的方式，纳米线只需要5μm的长度就能完成100％的光场吸收，极大地缩短了纳米线所需长度。因此，降低了纳米线制作所要求的工艺条件，可以降低成本并提高良率，实现高效生产；
[0033](2)纳米线可以生长在包覆波导的覆盖层上方，这样，覆盖层就可以充当阻挡层，防止芯层波导被刻蚀剂破坏而影响器件工作性能；
[0034](3)器件整体结构简单，能够实现TE0模至TM0模的高效转换，并由SNSPD快速吸收并探测，具备较高的工作效率。
附图说明
[0035]图1显示为本专利技术提供的基于TM0模吸收的超导纳米线单光子探测器的俯视结构
示意图。
[0036]图2显示为本专利技术提供的基于TM0模吸收的超导纳米线单光子探测器中波导中的模式的有效折射率虚部随波导宽度的变化规律图。
[0037]图3显示为本专利技术提供的基于TM0模吸收的超导纳米线单光子探测器的侧视截面结构示意图。
[0038]图4显示为本专利技术提供的基于TM0模吸收的超导纳米线单光子探测器的探测方法流程图。
[0039]元件标号说明
[0040]10
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衬底
[0041]20
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绝缘层
[0042]30
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覆盖层
[0043]40
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波导
[0044]401
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主波导
[0045]4011
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第一段
[0046]4012
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第二段
[0047]4013
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第三段
[0048]402
ꢀꢀꢀ本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于TM0模吸收的超导纳米线单光子探测器，其特征在于，包括：定向耦合器，用于实现TE0模式至TE1模式的转换；偏振旋转器，与所述定向耦合器连接，用于实现TE1模式至TM0模式的转换；纳米线单光子探测器，与所述偏振旋转器连接，用于实现对TM0模式的吸收及探测。2.根据权利要求1所述的基于TM0模吸收的超导纳米线单光子探测器，其特征在于：所述定向耦合器包括平行耦合线定向耦合器。3.根据权利要求2所述的基于TM0模吸收的超导纳米线单光子探测器，其特征在于：所述定向耦合器包括间隔设置的主波导与副波导，所述主波导的宽度小于所述副波导的宽度，其中，所述主波导包括依次相连的第一段、第二段及第三段，所述第三段与所述副波导相互平行且耦合。4.根据权利要求3所述的基于TM0模吸收的超导纳米线单光子探测器，其特征在于：所述定向耦合器具有输入端口，所述输入端口配置于所述主波导的一端部以向所述主波导输入TE0模式，所述副波导与所述主波导电磁耦合并取出TE1模式。5.根据权利要求1所述的基于TM0模吸收的超导纳米线单光子探测器，其特征在于：所述偏振旋转器包括依次相连的第一波导、第二波导及第三波导，所述第一波导与所述定向耦合器连接。6.根据权利要求5所述的基于TM0模吸收的超导纳米线单光子探测器，其特征在于：所述第一波导、所述第二波导、所述第三波导的宽度分别呈线性渐变。7.根据权利要求1所述的基于TM0模吸收的超导纳米...

【专利技术属性】
技术研发人员：李杨，陶略，赵瑛璇，黄海阳，甘甫烷，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：