一种基于TM0模吸收的超导纳米线单光子探测器的制作方法

一种基于tm0模吸收的超导纳米线单光子探测器
技术领域
1.本实用新型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。


背景技术：

2.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
‑
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。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型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，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。
6.为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种基于tm0模吸收的超导纳米线单光子探测器，包括：
7.定向耦合器，用于实现te0模式至te1模式的转换；
8.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；
9.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。
10.可选地，所述定向耦合器包括平行耦合线定向耦合器。
11.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。
12.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。
13.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。
14.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。
15.可选地，所述纳米线单光子探测器包括：
16.衬底；
17.绝缘层，位于所述衬底表面；
18.波导，位于所述绝缘层表面；
19.覆盖层，位于所述绝缘层上，且包覆所述波导的裸露表面；
20.超导纳米线，位于所述覆盖层表面。
21.可选地，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。
22.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。
23.可选地，所述超导纳米线沿tm0传输方向的长度范围是5
‑
10μm。
24.如上所述，本实用新型的一种基于tm0模吸收的超导纳米线单光子探测器具有以下有益效果：
25.(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；
26.(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；
27.(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
28.图1显示为基于tm0模吸收的超导纳米线单光子探测器的俯视结构示意图。
29.图2显示为基于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。
30.图3显示为基于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。
31.图4显示为基于tm0模吸收的超导纳米线单光子探测器的探测方法流程图。
32.元件标号说明
33.10
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衬底
34.20
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绝缘层
35.30
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覆盖层
36.40
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波导
37.401
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主波导
38.4011
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第一段
39.4012
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第二段
40.4013
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第三段
41.402
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副波导
42.403
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第一波导
43.404
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第二波导
44.405
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第三波导
45.50
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超导纳米线
46.61
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正电极
47.62
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负电极
具体实施方式
48.以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其它优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。
49.需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，虽图示中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量、位置关系及比例可在实现本技术方案的前提下随意改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
50.请参阅图1，本实用新型提供一种基于tm0模吸收的超导纳米线单光子探测器，包括定向耦合器(directional coupler,dc)、偏振旋转器(polarization rotator)及纳米线单光子探测器(superconducting nanowire single
‑
photon detector,snspd)，其中，所述定向耦合器用于实现te0模式至te1模式的转换；所述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；所述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。
51.作为示例，请参阅图1，所述定向耦合器可以为平行耦合线定向耦合器，所述定向耦合器包括间隔设置的主波导401与副波导402。具体的，所述主波导401的宽度小于所述副波导402的宽度，其中，所述主波导401呈s型形状，可以分为依次相连的三段，分别为第一段4011、第二段4012及第三段4013。所述第三段4013与所述副波导402相互平行且耦合，其中，所述第三段4013长度(l4)为13μm。另外，所述主波导401的第三段4013与所述副波导402相互间隔距离(gap)为0.15μm。
52.需要指出的是，在其它实施例中，所述主波导401与所述副波导402的长度与间距可以根据需要进行调整，此处不应过分限制本发明的保护范围。
53.作为示例，请参阅图1，所述定向耦合器具有输入端口(图中未示出)，所述输入端口配置于所述主波导401的一端部以向所述主波导401输入te0模式，即te0模式通过所述第一段4011的一端口输入，并通过所述第二段4012及所述第三段4013传输，通过所述主波导401与所述副波导402之间的间隙转换成te1模式，所述副波导402与所述主波导401电磁耦
合并取出te1模式。
54.需要说明的是，请参阅图2，整个器件中定向耦合器是根据模式耦合理论设计的，当主波导中te0模的有效折射率等于副波导中te1模的有效折射率时，主波导中te0模就可以高效的耦合到相邻的副波导中。图2中标示的虚线表示，有效折射率相同的te0模及te1模分别对应的主波导宽度(w4)0.41μm及副波导宽度(w3)0.85μm。
55.作为示例，请参阅图1，所述偏振旋转器包括依次相连的第一波导403、第二波导404及第三波导405，所述第一波导403与所述定向耦合器连接。
56.作为示例，请参阅图1，所述第一波导403、第二波导404、第三波导405的宽度分别呈线性渐变，也就是说所述第一波导403、第二波导404、第三波导405的在水平面上的截面形状均为梯形，且沿te1传输方向各段波导逐渐变窄。
57.具体的，所述第一波导403的长度(l3)为10μm，与所述副波导402连接部的宽度(w3)为0.85μm，与所述第二波导404连接部的宽度(w2)为0.7μm；所述第二波导404的长度(l2)为46μm，与所述第三波导405连接部的宽度(w1)为0.56μm；所述第三波导405的长度(l1)为4μm，与所述纳米线单光子探测器中的波导40连接部的宽度(w0)为0.5μm。
58.需要说明的是，请参阅图1及图2，te1模与tm0模之间存在模式杂化，在模式杂交点对应的波导宽度(w
co
)为0.65μm时(图2中用虚线框标出)，我们无法区分te1模与tm0模，因此设计的偏振旋转器中第二波导404的宽度由0.7μm(w2)减小至0.56μm(w1)，正好覆盖模式杂交点对应的波导宽度0.65μm，此时波导中的te1模就可以转化为tm0模。经计算，当l2长度为46μm时，te1至tm0的转换效率可以达到99％。
59.需要指出的是，在其它实施例中，所述偏振旋转器各段的宽度、长度可以根据需要进行调整，只要满足波导中的te1模可以以预设转换效率转化为tm0模即可，此处不应过分限制本发明的保护范围。
60.作为示例，请参阅图3，所述纳米线单光子探测器是基于soi结构设计的，包括：
61.衬底10；
62.绝缘层20，位于所述衬底10表面；
63.波导40，位于所述绝缘层20表面；
64.覆盖层30，位于所述绝缘层20上，且包覆所述波导40的裸露表面；
65.超导纳米线50，位于所述覆盖层30表面。
66.作为示例，所述衬底10包括但不限于硅衬底、氧化镁衬底、锗衬底、氮化镓衬底、砷化镓衬底或蓝宝石衬底。本实用新型提供的纳米线单光子探测器选用硅衬底，这是由于硅是一种常见的半导体材料，具有材料成本低，加工工艺成熟，表面平整度高，均一性好等优点。在硅衬底上更容易生长氧化物薄膜，这有利于提高纳米线单光子探测器的成品率。
67.作为示例，所述绝缘层20也可以是掩埋氧化物层，可以为sio2材料，其厚度优选为2μm。
68.作为示例，所述覆盖层30可以为sio2层，其上表面与所述波导40上表面之间的距离可以为50nm。优选地，通过采用化学机械抛光(cmp)技术可以将覆盖层30减薄，使得所述覆盖层30上表面距离所述波导40上表面小于50nm，并保证其粗糙度小于1nm，从而保证沉积在所述覆盖层30上方的所述超导纳米线50不会受到影响，使器件保持良好的工作性能。
69.需要说明的是，请参阅图2及图3，所述纳米线单光子探测器作为整个器件的核心
部分，可以实现te1模至tm0模的高效转换，其原理在于，当所述覆盖层30的上表面与所述波导40上表面之间的距离减薄至50nm时，发生所述波导40中的模式的有效折射率随波导宽度的变化规律，使得te1模与tm0模之间发生模式杂化。
70.具体的，请参阅图3，所述纳米线单光子探测器中被所述覆盖层30包覆的波导的宽度(w0)为500nm，厚度为220nm。
71.作为示例，请参阅图1及图3，所述超导纳米线50呈直角曲折的方波形状，方波凸部端靠近所述偏振旋转器的波导与所述纳米线单光子探测器的波导连接处，所述超导纳米线50延伸的两端部分别与正电极61及负电极62连接。所述超导纳米线50沿tm0传输方向的长度范围为5
‑
10μm。优选地，所述超导纳米线50沿tm0传输方向的长度范围为5
‑
6μm。本实施例所述超导纳米线50沿tm0传输方向的长度为5μm。垂直于tm0传输方向的两平行纳米线之间的距离为80nm，所述超导纳米线50的线宽为100nm，厚度为7nm。
72.作为示例，所述超导纳米线50的材料选自nbn、tin、tan、wsi、nb及moge中的一种。优选地，本实用新型使用nbn作为超导纳米线材料。
73.请参阅图1及图4，一种基于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：
74.s1：通过定向耦合器的输入端口输入te0模式的光波；
75.s2：te0模式由主波导耦合至副波导，并转换为te1模式；
76.s3：te1模式于偏振转换器中实现向tm0模式的转换；
77.s4：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。
78.作为示例，在步骤s2中，请参阅图2，基于模式耦合理论，当主波导401中te0模的有效折射率等于副波导402中te1模的有效折射率时，主波导401中te0模就可以高效的耦合到相邻的副波导402中。具体的，在本实施例中，所述主波导401中te0模的有效折射率与所述副波导402中te1模的有效折射率相等且均为2.24，主波导宽度(w4)为0.41μm，副波导宽度(w3)为0.85μm，te0模式由主波导耦合至副波导，并转换为te1模式。
79.需要指出的是，在其它实施例中，所述主波导401中te0模的有效折射率与所述副波导402中te1模的有效折射率相等，并可以根据需要进行调整，对应的主波导宽度与副波导宽度也进行对应的调整，此处不应过分限制本发明的保护范围。
80.作为示例，在步骤s3中，请参阅图1及图2，te1模与tm0模之间存在模式杂化，在模式杂交点对应的波导厚度(w
co
)为0.65μm时(图2中用虚线框标出)，我们无法区分te1模与tm0模，因此设计的偏振旋转器中所述第二波导404的宽度由0.7μm(w2)减小至0.56μm(w1)，正好覆盖模式杂交点对应的波导宽度0.65μm，此时波导中的te1模就可以转化为tm0模。经计算，当l2长度为46μm时，te1至tm0的转换效率可以达到99％。
81.需要说明的是，大部分硅基光子器件采用te模特别是te0模作为器件中的基模，这是因为tm模的损耗比te模大，因此，在器件的传输部分采用te模在波导中传输。而在器件的探测部分如果吸收的也是te模，由于te模电场的方向问题，通常需要几十微米长的超导纳米线50才能完成近乎100％的吸收，并且需要直接将所述超导纳米线50生长在所述波导40的上方，这对纳米线的制作工艺提出了较高的要求，一是纳米线薄膜只有几纳米的厚度以及较长的结构导致良率较低；二是需要精准控制纳米线的刻蚀过程，否则过刻蚀将会破坏所述波导40的上表面，带来散射损耗。而如果采用tm0模吸收方式，不仅所述超导纳米线50
的长度可以极大地缩短，而且所述超导纳米线50可以生长在所述波导40的覆盖层30上方，这样，所述覆盖层30就可以充当阻挡层，防止芯层波导被刻蚀剂破坏。因此，就需要一种偏振旋转结构将te模转换至tm0模。
82.作为示例，在步骤s4中，所述纳米线单光子探测器中的超导纳米线50沿tm0传输方向的长度只需5μm，就能完成100％的光场吸收。
83.作为示例，所述基于tm0模吸收的超导纳米线单光子探测器中的所述波导40为硅波导。
84.综上所述，本实用新型提供一种基于tm0模吸收的超导纳米线单光子探测器，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。本实用新型的基于tm0模吸收的超导纳米线单光子探测器具有以下有益效果：(1)纳米线单光子探测器通过采用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。(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。(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。
85.上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。