[发明专利]集成光学薄膜滤波器的超导纳米线单光子探测器

说明书

本发明提供一种集成光学薄膜滤波器的超导纳米线单光子探测器，包括：衬底；反射镜，位于所述衬底表面；超导纳米线，位于所述反射镜的表面；光学薄膜滤波器，位于所述超导纳米线远离所述反射镜的一侧，且与所述超导纳米线具有间距。本发明通过在超导纳米线下方设置所述反射镜，可以将光直接耦合到超导纳米线上，可以对目标波长具有较高的吸收效率，有效提高了器件探测效率；同时，本发明通过设置光学薄膜滤波器，可以对非目标波长滤波，进而有效抑制黑体辐射造成的暗计数；此外，本发明的集成光学薄膜滤波器的光学薄膜滤波器与其他结构分离设置，可重复使用，从而降低成本。

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，特别是涉及一种集成光学薄膜滤波器的超导纳米线单光子探测器。

背景技术

超导纳米线单光子探测器件(Superconducting Nanowire Single PhotonDetector，SNSPD)是近年发展起来的新型单光子探测器件，可以实现可见光到近红外波段的高效单光子探测。由于其高量子效率、低暗计数、高探测速率、低时间抖动等优势，SNSPD已迅速应用于量子信息技术、激光通信、星地测距、生物荧光探测、深度成像等应用中。

SNSPD主要采用低温超导超薄薄膜材料，比如NbN、Nb、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。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Ib，Ib略小于器件临界电流Ic。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Ib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集成光学薄膜滤波器的超导纳米线单光子探测器，用于解决现有技术中超导纳米线单光子探测器吸收效率低、由于暗计数而导致超导纳米线单光子探测器性能下降及结构复杂、成本较高等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种集成光学薄膜滤波器的超导纳米线单光子探测器，包括：

衬底；

反射镜，位于所述衬底表面；

超导纳米线，位于所述反射镜的表面；

光学薄膜滤波器，位于所述超导纳米线远离所述反射镜的一侧，且与所述超导纳米线具有间距。