[发明专利]一种SNSPD阵列与光波导阵列的耦合装置及方法

说明书

本申请提供一种SNSPD阵列与光波导阵列的耦合装置及方法，该耦合装置包括金属底座、硅衬底层、DBR介质层和上表面刻蚀有SNSPD阵列的氮化铌层，光波导阵列和固定座，其中，单元光波导与单元SNSPD一一对应，固定座的一端与光波导阵列的侧表面连接另一端与金属底座的上表面连接。本申请相较于传统的单个SNSPD器件与单根光纤耦合的方法，本申请具有提高SNSPD集成度、拓展器件规模等优点，并且还有助于提高工作效率和实现SNSPD大批量生产，此外，相较于片上集成斜入射耦合或射倏逝波耦合方法，采用分离式垂直耦合的方法将SNSPD阵列与光波导阵列直接耦合，能够有效减少光路损耗，提高光耦合效率。

技术领域

本发明涉及器件集成技术领域，尤其涉及一种SNSPD阵列与光波导阵列的耦合装置及方法。

背景技术

Superconductor nanowire single photon detector（SNSPD，超导纳米线单光子探测器）是一种新型单光子探测器，相较于常规的半导体探测器，SNSPD具有超高的探测效率、极低的暗计数、较少时间抖动和较高计数率等优势，不仅能够实现较宽谱响应，而且探测范围可从可见光延伸至红外波段。历经十余年的发展，SNSPD的技术研发日趋成熟，在1550nm波段的探测系统中探测效率能够达到90%，计数率超过1GHz，时间抖动小于10ps，凭借这些优势，SNSPD成为超导电子学和单光子探测领域的研究热点。

由于耦合精度要求高（偏差5μm）、低温工作（4K）的特性，常规SNSPD的光耦合一般采取单个器件与单根光纤的耦合方式。比如，使用陶瓷套管实现光纤与器件的自对准封装，或者先将光纤胶合在金属组件上，再用螺钉将光纤固定到芯片底座上。目前，单个SNSPD的精确耦合已经能够实现，而同一芯片上的多个SNSPD器件与多根光纤的精确耦合仍然是挑战。为此，前人提出了一种片上自对准的方法，即在芯片每个光敏面的下方，用氢氟酸将衬底腐蚀出一个深孔，将光纤插入孔中，来实现光纤与器件光敏面的对准，不过，由于存在腐蚀倾角、腐蚀表面粗糙及残留的硅薄壁（20μm）等因素的限制，这种方法进一步提升器件的探测效果较为困难。

Optical Waveguide（OW，光波导器件）作为光电集成器件或系统的重要组成部分，是一种引导光在其中传播的介质装置，具有良好的光学、电学、机械性能和热稳定性。其中，光纤阵列、飞秒激光直写波导、平面工艺波导等是当下时兴、应用较多的光波导器件，尤其是光纤阵列，它是将多根光纤粘合在硅的V形槽中，由于V形槽的加工精度很高，能够实现单元光纤的精确定位，比如，单元光纤的芯径水平间距为127μm，偏差小于1μm，单元中心的垂直偏差小于0.2μm，而如果采用飞秒激光直写波导，通过采用聚焦的飞秒激光脉冲扫描衬底材料，诱导衬底材料中局部区域的折射率发生变化，形成的波导结构，波导芯径坐标的偏差可以小于亚微米。

目前，在不同的光波导结构上进行光检测实验已成为单光子探测领域的重要研究方向，其中，光路的集成化、大规模化及可操作性是研究人员面临的一大难题，尤其是在进行多个光通路匹配对准多单元的SNSPD。

发明内容

本申请实施例提供了一种SNSPD阵列与光波导阵列的耦合装置及方法，能够实现器件的大规模集成化，并具有操作简单化、耦合精度高的优点。

本申请实施例公开的SNSPD阵列与光波导阵列的耦合装置，该装置包括：

第一组件；第一组件自下而上依次包括金属底座和SNSPD阵列芯片；SNSPD阵列芯片自下而上依次包括硅衬底层、DBR介质层和氮化铌层，氮化铌层的上表面刻蚀有SNSPD阵列；

第二组件；第二组件包括光波导阵列；光波导阵列中的单元光波导与SNSPD阵列中的单元SNSPD一一对应；

固定组件；固定组件包括固定座；固定座的一端与光波导阵列的侧表面连接，固定座的另一端与金属底座的上表面连接。

进一步地，光波导阵列包括以下任意一种：

光纤阵列；或者，