[发明专利]降低超导纳米线单光子探测器件非本征暗计数的方法及器件

说明书

技术领域

本发明属于光探测技术领域，特别是涉及一种降低超导纳米线单光子探测器件非本征暗计数的方法及器件。

背景技术

超导纳米线单光子探测器件(Superconducting Nanowire Single Photon Detector，SNSPD)是一种重要的光探测器，可以实现从可见光到红外波段的单光子探测。SNSPD主要采用低温超导超薄薄膜材料，比如NbN、Nb、TaN、NbTiN、WSi等。典型厚度约为5-10nm，器件通常采用100nm左右宽度的曲折纳米线结构。现有的一种超导纳米线单光子探测器件结构如图1所示，其包括上下表面均具有抗反射层的衬底20～40、光学腔体结构50、超导纳米线60、以及反射镜70等。

SNSPD工作时置于低温环境中(<4K)，器件处于超导态，并加以一定的偏置电流I_b，I_b略小于器件临界电流I_c。当单个光子入射到器件中的纳米线条上时，会拆散库珀对，形成大量的热电子，从而形成局域热点，热点在偏置电流I_b的作用下由于焦耳热进行扩散，最终使得纳米线条局部失超形成有阻区。之后热电子能量通过电声子相互作用传递并弛豫，再重新配对成超导态的库珀对。由于超导材料的热弛豫时间很短，因此当SNSPD接收到单个光子后，就会在器件两端产生一个快速的电脉冲信号，从而实现单光子的探测功能。

暗计数是单光子探测器的主要参数之一。它是指与信号光子无关的错误计数。SNSPD暗计数的来源包括两个方面。一个是SNSPD纳米线磁通涡旋运动引起的暗计数，这部分被称为本征暗计数。本征暗计数和器件工作电流有关，仅在工作电流非常接近临界电流时才产生，且计数率和偏置电流呈指数关系。其它非信号光子触发的SNSPD计数被统称非本征暗计数。包括以下几个可能：(1)光纤材料本身的热辐射引入的暗计数；(2)SNSPD在工作时，工作环境各种光(热)辐射会有少量透过光纤包覆层进入光纤作为杂散光触发SNSPD计数。非本征暗计数可等效为一定量的光子辐射，其引入的暗计数和探测器的探测效率成正比。暗计数对于很多单光子探测应用至关重要。特别是对于长距离光纤量子通信来说，暗计数的水平，是决定其成码信噪比以及通信距离的关键参数。目前尚没有根本解决本征暗计数的有效办法，通常采用降低SNSPD偏置电流的手段。在这种条件下，非本征暗计数就起到了决定性的影响。日本Shibata等人提出了低温下在光纤中引入光纤滤波器的方法，可以有效的降低非本征暗计数。但是同时也对信号光产生了明显的衰减(约3dB)，直接影响了器件的探测效率。

目前也有其他的滤波方式，但都具有器件设计要求过于复杂，从而不利于滤波器的实现及成本降低的缺点。

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降低超导纳米线单光子探测器件非本征暗计数的方法及器件，用于解决现有技术中由于非本征暗计数而导致纳米线单光子探测器件性能下降或解决目前的滤波器设计过于复杂的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种降低超导纳米线单光子探测器件非本征暗计数的方法，包括步骤：

于所述超导纳米线单光子探测器件上集成短波通多层薄膜滤波器；

其中，所述短波通多层薄膜滤波器为通过多层介质薄膜实现的具有短波通滤波功能的器件。

作为本发明的降低超导纳米线单光子探测器件非本征暗计数的方法的一种优选方案，所述非本征暗计数为由于光纤黑体辐射及外界杂散光触发的暗计数。

作为本发明的降低超导纳米线单光子探测器件非本征暗计数的方法的一种优选方案，所述短波通多层薄膜滤波器对于工作波长1550nm处的光具有通带功能，允许99％以上通过，且能1％以下过滤波长范围大于1550nm的光波的滤波器，同时对于波长小于1550nm的光不作滤波和通带要求。

作为本发明的降低超导纳米线单光子探测器件非本征暗计数的方法的一种优选方案，所述超导纳米线单光子探测器件包括：

衬底，结合于所述短波通多层薄膜滤波器表面，所述衬底的上下表面分别结合有上抗反射层及下抗反射层；

光学腔体结构，结合于所述衬底的上抗反射层表面；

超导纳米线，结合于所述衬底的上抗反射层与光学腔体结构之间；

反射镜，结合于所述光学腔体结构表面。