CN112050935B - 超导纳米线单光子探测器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光探测技术领域，涉及一种超导纳米线单光子探测器及其制备方法。所述超导纳米线单光子探测器，包括：衬底；反射层，位于所述衬底表面；探测层，位于所述反射层表面，用于探测光子，所述探测层包括若干超导纳米线单元；匹配层，至少位于所述超导纳米线单元表面且包覆所述超导纳米线单元，至少用于降低所述超导纳米线单元的偏振消光比；通过在超导纳米线单光子探测器中设置包覆超导纳米线单元的匹配层，能够利用匹配层降低超导纳米线单光子探测器的偏振消光比，从而降低超导纳米线单光子探测器的偏振敏感性，扩大超导纳米线单光子探测器的应用领域，提高其探测的准确性和可重复性。

Description

超导纳米线单光子探测器及其制备方法
技术领域
本发明属于光探测技术领域，涉及一种超导纳米线单光子探测器及其制备方法。
背景技术
超导纳米线单光子探测器(SNSPD)是一种利用光子吸收在超导纳米线中激发非平衡态热点来实现单光子检测的高灵敏光探测器。一般是由超薄(～5nm)超细(～100nm)的超导材料制作而成，具有探测效率高、暗计数低、时间抖动小和响应速率快等性能。随着人们对SNSPD从机理到性能的理解逐渐深入，SNSPD的性能得到了飞速地提升。最近的研究成果表明：在近红外波段，SNSPD在各方面的性能均明显优于其它种类的单光子探测器。目前，围绕SNSPD的基础及应用研究报道逐渐增多，已成功地实现了很多应用，并对量子通信、激光测距与成像、激光通信等前沿基础研究及高技术领域发展起到明显的推动作用。
在利用超导纳米线单光子探测器进行光子探测时，需将超导纳米线单光子探测器置于低温环境下，当光子入射到超导纳米线单光子探测器上时，超导纳米线单光子探测器在光子的能量作用下出现局部失超，，通过施加在超导纳米线单光子探测器的偏置电流作用下，能够检测到超导纳米线单光子探测器的电流回路中产生了电脉冲信号。电脉冲信号与入射的光子对应，通过对接收到的电脉冲信号进行计数，能够获得超导纳米线单光子探测器探测光子数量。
SNSPD通常具有偏振敏感性，对处于不同偏振态的光的吸收效率不同。
SNSPD的偏振敏感性不利于实际应用。在常规光纤链路的相干光检测中，可以通过外部偏振控制器调节入射光的极化方向以达到高效探测，而在更广泛场景中，如自由空间、多模光纤等复杂环境，生物荧光等非相干光探测的情况下，光子的极化状态不可控，由于SNSPD对不同偏振态光的吸收效率不同，SNSPD的探测效率受限于TM偏振态光的吸收效率，使得SNSPD无法发挥高探测效率的优势，这不利于SNSPD的广泛推广应用。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种超导纳米线单光子探测器及其制备方法，所述超导纳米线单光子探测器及其制备方法能够在一定程度上降低超导纳米线单光子探测器的偏振敏感性。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明一实施例提供一种超导纳米线单光子探测器，包括：
衬底；
反射层，位于所述衬底表面；
探测层，位于所述反射层表面，用于探测光子，所述探测层包括若干超导纳米线单元；
匹配层，至少位于所述超导纳米线单元表面且包覆所述超导纳米线单元的裸露表面，至少用于降低偏振敏感度。
在一种实施例中，所述匹配层呈构成光栅结构，用于改变所述超导纳米线单元在设定波长范围内对偏振光的吸收率的峰值所对应的波长。
在一种实施例中，所述光栅结构，用于使所述超导纳米线单元对至少两个所述偏振光在所述设定波长范围内形成共振吸收峰。
在一种实施例中，所述超导纳米线单元包括超导纳米线条，所述超导纳米线条在与所述反射层表面平行的平面上曲折蜿蜒；所述光栅结构的横截面呈波浪形状，所述波浪形状的波峰位于所述超导纳米线条上方，所述波浪形状的波谷位于所述超导纳米线条之间。
在一种实施例中，当待探测光的中心波长为1550nm时，匹配层的厚度在100nm-300nm之间。
在一种实施例中，所述探测层中设有一层或多层所述超导纳米线单元，相邻层的所述超导纳米线单元之间设置有隔离层。
在一种实施例中，所述隔离层的材料包括Si、SiO2、Ta2O5或AlN中的至少一种，所述超导纳米线单元的材料包括NbN、Nb、NbTiN、WSi或MoSi中的至少一种。
在一种实施例中，所述匹配层的材料包括Si、SiO、TiO2、TiO2或Ta2O5或AlN中的至少一种。
在一种实施例中，通过所述匹配层的折射率控制所述超导纳米线单元的吸收率，通过所述匹配层的厚度控制所述超导纳米线单元在设定波长范围内对偏振光的吸收峰的位置。
在一种实施例中，所述介质层的折射率与所述超导纳米线单元的折射率之间的差值小于1。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明一实施例提供一种超导纳米线单光子探测器的制备方法，包括：
提供衬底；
在所述衬底表面上制备出反射层；
在所述反射层表面上制备出探测层，所述探测层包括若干超导纳米线单元；
在所述探测层表面上制备出匹配层，所述匹配层至少位于所述超导纳米线表面且包覆所述超导纳米线单元的裸露表面，至少用于降低所述超导纳米线单元的偏振敏感度。
在一种实施例中，在所述反射层表面制备出探测层包括：
在所述反射层表面上制备出超导层；
在所述超导层表面上制备出隔离层；
在所述隔离层表面上制备出所述超导层；
对所述超导层与所述隔离层进行蚀刻，将所述超导层与所述隔离层上蚀刻为一体结构，
形成所述超导纳米线单元，从而形成所述探测层。
综上所述，本发明的有益效果如下：
本发明提供的超导纳米线单光子探测器及其制备方法，通过在超导纳米线单光子探测器中设置包覆超导纳米线单光子单元的匹配层，能够利用匹配层降低超导纳米线的偏振消光比，从而降低超导纳米线单光子探测器的偏振敏感性。
附图说明
图1显示为一实施例中提供的一种超导纳米线单光子探测器的结构示意图；
图2-图3显示为本发明一实施例中提供的一种包含布拉格反射镜的超导纳米线单光子探测器的结构示意图；
图4显示为本发明一实施例中提供的一种包含至少两层超导纳米线单元的超导纳米线单光子探测器的结构示意图；
图5是图4中的A处放大图；
图6显示为本发明一实施例中提供的一种超导纳米线条的结构示意图；
图7显示为本发明一实施例提供的一种不包含的匹配层的超导纳米线单光子探测器的偏振光吸收曲线图；
图8显示为本发明一实施例提供的一种匹配层的表面为平面的超导纳米线单光子探测器的结构示意图；
图9显示为本发明一实施例提供的一种匹配层的表面为光栅结构的超导纳米线单光子探测器的结构示意图；
图10显示为本发明一实施例提供的一种光栅结构的横截面为矩形的超导纳米线单光子探测器的结构示意图；
图11显示为本发明一实施例提供的一种光栅结构的横截面为波浪形状的超导纳米线单光子探测器的结构示意图；
图12显示为一实施例中提供的一种超导纳米线单光子探测器的制备方法的流程示意图；
图13为图12中步骤S3包含的制备单层超导纳米线单元的各步骤示意图；
图14为图12中步骤S3包含的制备至少两层超导纳米线单元的各步骤示意图。
元件标号说明
1 衬底
2 反射层
3 探测层
4 匹配层
21 SiO2薄膜层
22 Ta2O5薄膜层
31 超导纳米线单元
32 隔离层
41 光栅结构
S1-S4 步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，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发明的其他优点与功效。本发明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，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
本发明一实施例提供了一种超导纳米线单光子探测器，如图1所示，所述超导纳米线单光子探测器包括：衬底1、反射层2、探测层3和匹配层4。
衬底1包括但不限于硅衬底、氧化镁衬底、砷化钾衬底或蓝宝石衬底。衬底1的厚度在300μm-500μm之间。本发明提供的超导纳米线单光子探测器的衬底1为硅衬底，厚度为400μm。硅是一种常见的半导体材料，具有材料成本底，加工工艺成熟，表面平整度高，均一性好等优点。在硅衬底上容易生长出非晶薄膜，这有利于提高超导纳米线单光子探测器件的成品率。
反射层2位于衬底1的表面上，可以将光直接耦合到所述探测层3上，实现较高的吸收效率。
在一种实施例中，反射层2为布拉格反射镜。包含了两种光学材料组成的可调节的多层结构，其中每一层厚度为入射光在该层内等效波长的1/4。
反射层2包括交替层叠的SiO2薄膜层21与Ta2O5薄膜层22、交替层叠的SiO2薄膜层与Si薄膜层、或交替层叠的SiO2薄膜层与TiO2薄膜层中的至少一种。本发明中采用的反射层为交替层叠的SiO2薄膜层与Ta2O5薄膜层。在一种实施例中，如图2所示，SiO2薄膜层21位于衬底表面上，第一层Ta2O5薄膜层22位于第一层SiO2薄膜层21表面上，第二层SiO2薄膜层21位于第一层Ta2O5薄膜层22表面上，从而形成了在衬底1表面上方交替层叠的SiO2薄膜层21与Ta2O5薄膜层22。在另一种实施例中，如图3所示，第一层Ta2O5薄膜层22位于衬底表面上，第一层SiO2薄膜层21位于第一层Ta2O5薄膜层22表面上，第二层Ta2O5薄膜层22位于第一层SiO2薄膜层21表面上，从而形成了在衬底1表面上方交替层叠的SiO2薄膜层21与Ta2O5薄膜层22。SiO2薄膜层21的折射率为1.45，Ta2O5薄膜层22的折射率为2.15。
探测层3位于反射层2表面。探测层3包括若干超导纳米线单元，用于探测光子。超导纳米线单元31包括超导纳米线条。如图2所示，超导纳米线条在与反射层2平行的表面上曲折蜿蜒设置。超导纳米线条的材料包括NbN、Nb、TaN、NbTiN或WSi。超导纳米线条的宽度在50nm-150nm之间，超导纳米线条的厚度在5nm-10nm之间。
本发明中，超导纳米线条的材料为NbN，厚度为6nm，宽度为80nm。在一种实施例中，超导纳米线条在平行于反射层2的表面上呈周期分布，周期为150nm-170nm，优选地，周期为160nm。临界超导温度为Tc＝8K。所述超导纳米线单元31的材料、尺寸和形状均可依据实际需求进行改变，并不限于此处所列举的情况。
在一种实施例中，探测层3包括超导纳米线单元31和隔离层32。为提高探测器的探测效率，探测层3中设有至少两层超导纳米线单元31。相邻层的超导纳米线单元之间设有隔离层32。超导纳米线单元31与隔离层32在反射层2上方交替层叠。在一种实施例中，如图4-图5所示，第一层的超导纳米线单元31设置在反射层2的表面上，第一层的超导纳米线单元32的表面上设有第一层的隔离层32，第一层的隔离层32的表面上设置有第二层超导纳米线单元32……第n层超导纳米线单元31设置在第n-1层隔离层32的表面上。探测层3的表面为超导纳米线单元31。
隔离层32的材料包括Si、SiO2、AlN或Ta2O5。通过在探测层3中设置多层超导纳米线单元31，并在相邻层的超导纳米线单元31之间设置隔离层32，能够提高探测层3的光吸收率及脉冲响应效率。
本发明中，隔离层32的材料为SiO2。
在一种实施例中，超导纳米线单元31包括超导纳米线条。隔离层32包括隔离线条。探测线条包括多层超导纳米线条。各层超导纳米线条之间均设置有隔离线条。隔离线条与超导纳米线条均在平行于反射层2表面的平面上曲折蜿蜒设置。第一层超导纳米线条设置在反射层2的表面上。第一层超导纳米线条的表面设有第一层隔离线条，第一层隔离线条的表面上设有第二层超导纳米线条……第n-1层隔离线条的表面上设有第n层超导纳米线条。
在一种实施例中，蜿蜒曲折的超导纳米线条的形状如图6所示。超导纳米线条在平行于反射层2的表面上的宽度为50nm-150nm，两平行超导纳米线条之间的间距为50nm-150nm，超导纳米线条的厚度在5nm-10nm之间。超导纳米线条的刻蚀深度为0nm-20nm。
在一种实施例中，超导纳米线条与隔离线条一体成型。超导纳米线条的形状与隔离线条的形状相同。
通过将超导层31与隔离层32设置为蜿蜒曲折的周期性结构，能够增大超导纳米线条的光入射面积，从而提高超导纳米线条的光耦合效率。
匹配层4设于探测层3中的超导纳米线单元31的表面上，且包括超导纳米线单元31的裸露表面。超导纳米线单元31的裸露表面为探测层3的表面。用于降低超导纳米线单元31的偏振消光比，从而降低超导纳米线单元31的偏振敏感度。超导纳米线单元31对各偏振光的吸收率差别较小时，超导纳米线单元31的偏振敏感度低；当超导纳米线单元31对各偏振光的吸收率差别较大时，超导纳米线单元31的偏振敏感度高。
匹配层4至少用于降低超导纳米线单元31的偏振消光比。匹配层4还可以对超导纳米线单元31起到保护作用，防止超导纳米线单元31氧化。入射到超导纳米线单光子探测器中的光通常至少包括TM态偏振光或TE态偏振光。TM态偏振光的电矢量平行于入射面，TE态偏振光的电矢量垂直于入射面。如图7所示，若超导纳米线单元31表面上未设置匹配层4，由于空气的折射率低于超导纳米线单元31的折射率，超导纳米线单元31对TM态偏振光的吸收率远低于对TE态偏振光的吸收率，即超导纳米线单元31探测效率偏振相关。
匹配层4的材料包括Si、SiO、TiO2、TiO2或Ta2O5或AlN。为提高超导纳米线单元31的对TM态偏振光的吸收效率，匹配层4的材料为高折射率材料。在一种实施例中，匹配层4的折射率大于2。匹配层4的折射率与超导纳米线单元31的折射率之间的差值越小，超导纳米线单元31对TM态偏振光的吸收率越高，超导纳米线单元31的偏振敏感度越低。在一种实施例中，匹配层4的折射率与超导纳米线单元31的折射率之间的差值小于1。优选地，匹配层4的折射率与超导纳米线单元31的折射率之间的差值为0.8、0.5、0,2、0.1。
本发明中，匹配层4的材料为Si，Si的折射率为3.5。
通过在超导纳米单光子探测单元31表面设置能够包覆超导纳米线单元31的匹配层4，能够提高超导纳米线单光子探测单元31对TM态偏振光的吸收率。匹配层4的折射率与超导纳米线条的折射率差别较小时，匹配层4的介电常数与超导纳米线条的介电常数差别也较小，这能够提高TM态偏振入射光下纳米线内部的电场强度和场强分布的均匀性，从而提高纳米线对TM态偏振光的吸收效率，即实现了探测效率的偏振无关。
匹配层4的厚度与待测光的中心波长有关。中心波长越长，匹配层4的厚度越厚。在一种实施例中，当中心波长为1550nm时，匹配层4的厚度在100nm-300nm之间。
图8为匹配层4的表面为平面时，超导纳米线单元31在设定波长范围内分别对TE态偏振光和对TM态偏振光的吸收率曲线。设定波长范围包括1400nm-1700nm。从图8可知，在匹配层4与光栅结构41的作用下，超导纳米线单元31对1400nm-1700nm波段的TM态偏振光的吸收率提高了。但超导纳米线单元31对TM态偏振光的吸收率曲线和对TE态偏振光的吸收率曲线在1550nm波长处之后有交点，偏离中心波长后，超导纳米线单元31对TM态偏振光的吸收率曲线的峰值和对TE态偏振光的吸收率曲线的峰值不重合，超导纳米线单元31对TE态偏振光的吸收率与对TM态偏振光的吸收率的比值仍然较高，无法实现在设定范围内的高效、偏振无关探测，不能达到使用要求。
为进一步改善探测层3的偏振敏感性，本发明对匹配层4的形状进行了改进，将匹配层4设计为光栅结构41。光栅结构41位于匹配层4的表面上。光栅结构41，用于改变超导纳米线单元31在设定波长范围内对偏振光的吸收率的峰值所对应的波长，也使所述超导纳米线单元31对至少两个所述偏振光在所述设定波长范围内形成共振吸收峰。
在一种实施例中，匹配层4呈光栅结构41。光栅结构41能够调节超导纳米线单元31在不同偏振态入射光下的共振吸收峰位置。在一种实施例中，超导纳米线单元31在设定波长范围内对TE偏振光和TM偏振光的吸收效率都很接近，且将TE偏振光和TM偏振光的吸收率峰值调整到中心波长1550nm处。之差小于设定长度所述设定长度为5nm。
图9为匹配层4呈光栅结构41时，超导纳米线单元31分别对TE态偏振光和对TM态偏振光的吸收率曲线。超导纳米线单元31对TE态偏振光的吸收率曲线为超导纳米线单元31在不同波长线对TE态偏振光的吸收率所形成的曲线。超导纳米线单元31对TM态偏振光的吸收率曲线为超导纳米线单元31在不同波长下对TM态偏振光的吸收率所形成的曲线。从图9可知，当匹配层4呈光栅结构41时，探测层3对TM态偏振光的吸收率曲线的峰值与对TE态偏振光的吸收率曲线的峰值所对应的波长均为1550nm，因此探测层3对TM态偏振光与对TE态偏振光在波长1550nm处形成了共振吸收峰，超导纳米线单元31在一定波长范围内实现了高效、偏振无关探测，能够达到使用要求。
在一种实施例中，如图10所示，光栅结构41的横截面呈矩形。矩形在匹配层4表面上呈周期分布，矩形的周期L1与超导纳米线单元31的周期相同，均为150nm-170nm。矩形在平行于反射层2表面上的长度L2为50nm-150nm。矩形的高度L3为20-30nm
当光栅结构41的横截面呈矩形时，能够降低超导纳米线单元31的偏振消光比，实现在一定波长范围内实现了高效、偏振无关探测，能够达到使用要求。但横截面呈矩形的光栅结构41的加工方法，包括：在探测层3表面制备出匹配层4；对匹配层4进行表面处理，将匹配层4的表面处理为平面；对表面为平面的匹配层4进行刻蚀，从而将匹配层4的表面制备成横截面为矩形的光栅结构41。该虽然能够使匹配层4满足使用要求，但该制备方法复杂，制备成本高，不利于超导纳米线单光子探测器件的大规模生产和大范围使用。
在另一种实施例中，为降低超导纳米线单光子探测器的制备成本，本发明对匹配层4的结构进行了改进，将匹配层4表面上的光栅结构41的形状改成了波浪形状。如图11所示，光栅结构41的横截面呈波浪形状。波浪形状的波峰位于超导纳米线条上方，波谷位于超导纳米线条缝隙中间。在一种实施例中，波浪形状包括正弦曲线形状。光栅结构41的横截面呈正弦曲线形。
横截面呈波浪形状的光栅结构41由匹配层4在探测层3的表面自然生长所形成。在反射层2表面上制备出探测层3以后，采用热蒸发沉积方式在探测层3表面制备匹配层4时，能够在匹配层4的表面自然生长出横截面呈波浪形状的光栅结构41。
匹配层4沉积的厚度相同，而探测层3的上表面和探测层3下方反射层2中的SiO2薄膜层21过刻后的上表面存在一个高度差，薄膜沉积时即在匹配层4表面上形成了横截面呈波浪形状的光栅结构41。自然生长出的横截面呈波浪形状的匹配层4，匹配层4的厚度由探测层3的形状和位置确定，通过调节探测层3的表面形状，能够调节匹配层4表面的光栅结构41的形状。利用光栅结构41的形状能够对入射光的相位进行调节，从而达到调整探测层3对不同偏振态的光子的吸收率，降低探测层3的偏振消光比的目的。
在一种实施例中，在制备超导纳米线单光子探测器时，探测层3的生成方式包括：在反射层2表面制备出平面状的超导层；对超导层进行蚀刻，将超导层蚀刻为蜿蜒曲折的线条状的超导纳米线单元31，即形成了能够探测光子的探测层3。为利用反射层2的反射作用提高超导纳米线单元31的光吸收率。在对超导层进行蚀刻过程中，通常将超导层过蚀刻，使得对超导层的蚀刻深度超过超导层的厚度，将超导层下方的反射层2的表面蚀刻掉部分，形成过刻，超导纳米线单元31的缝隙处为反射层31的表面。如图11所示，超导纳米线单元31的过刻深度为L5。过刻深度L5的长度在0nm-20nm之间。
超导纳米线条上方的横截面呈波浪形状的光栅结构41是使匹配层4采用热蒸发沉积方式生长时，在探测层3本身的厚度和过刻深度L5的作用下，在匹配层4表面自然生长形成的。通过控制超导纳米线单元31的厚度与过刻深度L5，能够控制光栅结构41的形状，结合调整匹配层4的厚度，可以实现设定波长范围内超导纳米线单元吸收特性曲线位置的调整。利用上述匹配层4的材料的介电常数补偿和光栅结构41的光相位调控作用，实现了超导纳米线单光子探测器在一定波长内的高效、偏振不敏感探测。
在一种实施例中，当光栅结构41呈波浪形状时，匹配层4在在垂直于探测层3的表面的方向上的厚度L7为100nm-300nm，光栅结构41的厚度L6为15nm-40nm。光栅结构41的周期L4与超导纳米线单元31相同，仿真结果表明，超导纳米线单元31实现了在1400nm-1700nm波段的偏振不敏感吸收，偏振消光比为1.024<PER<1.223。在中心波长1550nm处，TM态偏振光的最大光吸收效率为99.1％，PER为1.024。偏振消光比PER，为在同一波长，对不同偏振光的最大光吸收效率与最小光吸收效率的比值。
横截面呈波浪形状的光栅结构41是在制备匹配层4过程中，自然生长而成的。超导纳米线条上方的横截面呈矩形的光栅结构41是在超导纳米线条表面生长出匹配层4以后，对匹配层4的表面进行磨平，再对磨平后的匹配层4进行刻蚀，在匹配层4中刻蚀出横截面呈矩形的沟道后形成的。横截面呈波浪形状的光栅结构41不仅有着和矩形光栅近乎一致的相位调节作用，而且减少了高效、偏振不敏感超导纳米线单光子探测器的加工步骤，超导纳米线单光子探测器有利于在实际中展开制备和应用。
本发明一实施例提供了一种超导纳米线单光子探测器的制备方法，如图12所示，所述方法包括下列步骤S1-步骤S4。
步骤S1：提供衬底。
衬底包括但不限于硅衬底、氧化镁衬底、砷化钾衬底或蓝宝石衬底。衬底1的厚度在300μm-500μm之间。
在一种实施例中，本方法中所采用的衬底为硅衬底，厚度为350μm。
步骤S2：在所述衬底表面上制备出反射层。
反射层包括布拉格反射镜。布拉格反射镜包括交替层叠的SiO2薄膜层与Ta2O5薄膜层、交替层叠的SiO2薄膜层与Si薄膜层、或交替层叠的SiO2薄膜层与TiO2薄膜层。本发明中采用的反射层为交替层叠的SiO2薄膜层与Ta2O5薄膜层。在一种实施例中，第一层SiO2薄膜层位于衬底表面上，第一层Ta2O5薄膜层位于第一层SiO2薄膜层表面上，第二层SiO2薄膜层位于第一层Ta2O5薄膜层表面上，从而形成了在衬底1表面上方交替层叠的SiO2薄膜层与Ta2O5薄膜层。在另一种实施例中，第一层Ta2O5薄膜层位于衬底表面上，第一层SiO2薄膜层位于第一层Ta2O5薄膜层表面上，第二层Ta2O5薄膜层位于第一层SiO2薄膜层表面上，从而形成了在衬底1表面上方交替层叠的SiO2薄膜层与Ta2O5薄膜层。SiO2薄膜层的折射率为1.46，Ta2O5薄膜层的折射率为2.15。
步骤S3：在所述反射层表面上制备出探测层，所述探测层包括若干超导纳米线单元。
超导纳米线单元用于探测光子。
在一种实施例中，超导纳米线单元包括超导纳米线条。探测层中仅包括一层超导纳米线单元。如图13所示，在步骤S3中，在所述反射层表面上制备出探测层，所述探测层包括若干超导纳米线单元，包括：步骤S31：在反射层表面制备出超导层；步骤S32：对超导层进行蚀刻，将所述超导层蚀刻为超导纳米线条，从而形成所述超导纳米线单元。
在一种实施例中，探测层中包括至少两层超导纳米线单元。上下相邻层的超导纳米线单元之间设有隔离层。如图14所示，在步骤S3中，在所述反射层表面上制备出探测层，所述探测层包括若干超导纳米线单元，包括：步骤S33：在所述反射层表面上制备出超导层；步骤S34：在所述超导层表面上制备出隔离层；步骤S35：在所述隔离层表面上制备出所述超导层；步骤S36：对所述超导层与所述隔离层进行蚀刻，将所述超导层与所述隔离层上蚀刻为一体状的蜿蜒曲折线结构，从而形成所述探测层。
超导层蚀刻形成了超导纳米线单元。隔离层蚀刻形成了相邻层超导纳米线单元之间的隔离线条。
在一种实施例中，为提高探测层的光吸收率，在对超导层进行蚀刻时，通常将超导层过刻，使刻线底面位于反射层中，保证纳米线刻透而不会相互连接。
步骤S4：在所述探测层表面上制备出匹配层，所述匹配层至少位于所述超导纳米线表面且包覆所述超导纳米线单元的裸露表面，至少用于降低所述超导纳米线单元的偏振敏感度。
匹配层由高折射率材料制成，在一种实施例中，匹配层的折射率大于2。匹配层的折射率与超导纳米线单元的折射率的差值越小，超导纳米线单元对TM态偏振光的吸收率越高。在一种实施例中，超导纳米线单元的折射率与匹配层的折射率之间的差值小于1。
在一种实施例中，在步骤S4，在所述探测层表面上制备出匹配层之前，还包括：获取超导纳米线单元的折射率；根据所述超导纳米线单元的折射率，获取匹配层的折射率；根据所述匹配层的折射率，获取制备所述匹配层的材料。
通过将超导纳米线单元的折射率与匹配层的折射率匹配，能够消除超导纳米线单元的偏振敏感性，提高超导纳米线单元对TM态偏振光的吸收率。
超导纳米线单元对光的吸收率还与入射到超导纳米线单元表面上的光的相位有关，因此匹配层的厚度也影响超导纳米线单元对TM态偏振光的吸收率。光的相位与光经过的路程即光程有关，通过调节匹配层的厚度，调节了光程，能够调节入射到超导纳米线单元上的光的相位，从而达到调节超导纳米线单元的光吸收率的目的。
在一种实施例中，在步骤S4，在所述探测层表面上制备出匹配层之前，还包括：获取所述待探测光的中心波长；根据所述波长获取所述匹配层的厚度。在步骤S4，在所述探测层表面上制备出匹配层，包括：根据所述厚度，在所述探测层表面制备出匹配层。
匹配层的厚度与待探测的光的波长有关。待探测的光的波长越长，匹配层越厚。
在所述探测层表面上制备出匹配层后，匹配层的表面为波浪形状的光栅结构。波浪形状的波峰位于超导纳米线条上方，波浪形状的波谷位于相邻两超导纳米线条之间的缝隙中心。
光栅结构的形状与匹配层的厚度相关，因此通过改变光栅结构的形状，也能够调节入射光的相位，达到调节共振吸收峰位置的目的。
当光栅结构由匹配层在探测层表面自然生长形成时，光栅结构的形状由探测层的形状及过刻深度确定。
探测层中的刻线的宽度、厚度与过刻的深度均影响光栅结构的形状。
在一种实施例中，在步骤S4，在所述探测层表面上制备出匹配层之前，还包括：获取探测层的尺寸参数；根据所述尺寸参数，获取匹配层表面的光栅结构的尺寸参数；根据所述光栅结构的尺寸参数，制备所述光栅结构。
匹配层表面的光栅结构，不仅与探测层尺寸参数有关，还与探测层下方SiO2薄膜层的过刻深度有关，通过调节探测层的尺寸参数，结合调整SiO2薄膜层的过刻深度能够调节光栅结构的结构，以实现最优化的光栅结构。
在一种实施例中，探测层中仅包含单层超导纳米线单元。获取探测层的尺寸参数，包括：获取超导纳米线单元包含的超导纳米线的尺寸参数。根据所述尺寸参数，获取匹配层表面的光栅结构的尺寸参数，包括：根据所述尺寸参数，获取匹配层表面的光栅结构的尺寸参数。
匹配层表面的光栅结构，与超导纳米线的宽度、厚度和刻蚀深度有关，通过调节超导纳米线的宽度、厚度与刻蚀深度，能够调节光栅结构的结构，进而借助于光栅结构对入射光的调节作用，实现一定波长范围内纳米线对TE和TM态偏振光共振吸收峰位置的调节。
在一种实施例中，探测层为包含至少两层超导纳米线单元的探测线条。探测线条包括超导纳米线单元和设置在相邻两层超导纳米线单元之间的隔离线条单元。
获取探测层的尺寸参数，包括：获取探测层的尺寸参数。在所述探测层表面上制备出匹配层之前，还包括：根据探测层的尺寸参数，获取匹配层的尺寸参数；根据所述尺寸参数，在探测层表面制备出包覆探测层的匹配层。
在一种实施例中，在步骤S4，在所述探测层表面上制备出匹配层之前，还包括：获取刻蚀形成探测层时的刻蚀深度；根据所述刻蚀深度，获取匹配层的尺寸参数；根据所述尺寸参数，获取匹配层的制备工艺参数。在步骤S4，在所述探测层表面上制备出匹配层，包括：根据制备工艺参数，在探测层表面制备出匹配层。
在探测层表面直接生长出表面呈波浪形状的匹配层，匹配层表面的波浪形状即为光栅结构。带有横街面呈波浪形状的光栅结构，能够获得如图9所示的吸收率曲线，具有较低的偏振敏感性，能够达到使用要求。
在一种实施例中，在步骤S4，在所述探测层表面上制备出匹配层之后，还包括：对所述匹配表面进行处理，将所述匹配层表面处理为平面。
匹配层表面为平面时，探测层在设定波长范围内对各偏振光的吸收率曲线如图8所示。设定波长范围包括1400nm-1700nm。由图8可知，探测层对TM态偏振光的吸收率曲线的峰值与对TE态偏振光的吸收率曲线的峰值不重合，探测层仍具有偏振敏感性，不能满足使用要求。
在一种实施例中，对所述匹配表面进行处理，将所述匹配层表面处理为平面，还包括：对匹配层的表面进行蚀刻，将所述匹配层的表面蚀刻为矩形。
匹配层的横截面呈矩形时，探测层在设定波长范围内对各偏振光的吸收率曲线如图9所示。由图9可知，探测层对TM态偏振光的吸收率曲线与对TE态偏振光的吸收率曲线在不同波长下是近乎重合的，且峰值在1550nm重合，探测层能够实现偏振不敏感探测，这扩大了超导纳米线单光子探测器件的使用范围。
将匹配层的横截面制备为矩形，虽然能够达到使用要求，但匹配层的制备过程复杂。本发明中，通过控制探测层的生成参数，能够在探测层表面自然生长出横截面呈波浪形状的匹配层，借助于匹配层的介电常数补偿作用及光栅对入射光的相位调节作用，能够调节探测层对设定波长范围内的各偏振光的吸收值近似相等，且在中心波长处存在共振吸收峰值，从而降低探测层的偏振消光比，达到能够在一定波长范围内实现偏振无关探测的目的，这在一定程度上降低了超导纳米线单光探测器的生产成本，简化了制备流程扩大了超导纳米线单光子探测器的使用范围。
本实施例中，各名词的解释、各部件的用途、相关制备步骤均可参照上述超导纳米线单光子探测器实施例，这里不再一一赘述。
请参阅图1～图14。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发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明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型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，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发明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，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种超导纳米线单光子探测器，其特征在于，包括：
衬底；
反射层，位于所述衬底表面；
探测层，位于所述反射层表面，用于探测光子，所述探测层包括若干层超导纳米线单元，所述超导纳米线单元包括超导纳米线条；
匹配层，至少位于所述超导纳米线单元表面且包覆所述超导纳米线单元的裸露表面，至少用于降低偏振敏感度；所述匹配层构成光栅结构，其中，所述光栅结构的横截面呈波浪形状，所述波浪形状的波峰位于所述超导纳米线条上方，所述波浪形状的波谷位于所述超导纳米线条之间，且所述匹配层和所述光栅结构用于改变设定波长范围内的偏振光的吸收峰所对应的波长，使得至少两个所述偏振光在所述设定波长范围内形成共振吸收峰。
2.根据权利要求1所述的超导纳米线单光子探测器，其特征在于，所述超导纳米线条在与所述反射层表面平行的平面上曲折蜿蜒；所述光栅结构的横截面呈波浪形状，所述波浪形状的波峰位于所述超导纳米线条上方，所述波浪形状的波谷位于所述超导纳米线条之间。
3.根据权利要求1所述的超导纳米线单光子探测器，其特征在于，当待探测光子的中心波长为1550nm时，匹配层的厚度在100nm-300nm之间。
4.根据权利要求1所述的超导纳米线单光子探测器，其特征在于，所述探测层中设有多层所述超导纳米线单元，相邻层的所述超导纳米线单元之间设置有隔离层。
5.根据权利要求4所述的超导纳米线单光子探测器，其特征在于，所述隔离层的材料包括Si、SiO2、Ta2O5或AlN中的至少一种，所述超导纳米线单元的材料包括NbN、Nb、NbTiN、WSi或MoSi中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的超导纳米线单光子探测器，其特征在于，所述匹配层的材料包括Si、Ta2O5、SiO、TiO2或AlN中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的超导纳米线单光子探测器，其特征在于，通过所述匹配层的折射率控制所述超导纳米线单元的吸收率，通过所述匹配层的厚度控制所述超导纳米线单元在设定波长范围内对偏振光的吸收峰的位置。
8.根据权利要求1-7任一项所述的超导纳米线单光子探测器，其特征在于，所述匹配层的折射率与所述超导纳米线单元的折射率之间的差值小于1。
9.一种超导纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于，包括：
提供衬底；
在所述衬底表面上制备出反射层；
在所述反射层表面上制备出探测层，所述探测层包括若干层超导纳米线单元，所述超导纳米线单元包括超导纳米线条；
在所述探测层表面上制备出匹配层，所述匹配层至少位于所述超导纳米线单元表面且包覆所述超导纳米线单元的裸露表面，至少用于降低所述超导纳米线单元的偏振敏感度；所述匹配层构成光栅结构，其中，所述光栅结构的横截面呈波浪形状，所述波浪形状的波峰位于所述超导纳米线条上方，所述波浪形状的波谷位于所述超导纳米线条之间，且所述匹配层和所述光栅结构用于改变设定波长范围内的偏振光的吸收峰所对应的波长，使得至少两个所述偏振光在所述设定波长范围内形成共振吸收峰。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，在所述反射层表面制备出探测层包括：
在所述反射层表面上制备出超导层；
在所述超导层表面上制备出隔离层；
在所述隔离层表面上制备出所述超导层；
对所述超导层与所述隔离层进行蚀刻，将所述超导层与所述隔离层上蚀刻为一体结构，形成所述超导纳米线单元，从而形成所述探测层。
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