[发明专利]一种实现超导纳米线单光子探测器宽带光吸收的方法

说明书

本发明公开了一种实现超导纳米线单光子探测器宽带光吸收的方法，具体为：首先，遍历单光子探测器上半腔的厚度参数，在对应厚度下，得到上半腔每一层介质的输入阻抗；将上半腔最顶层的输入阻抗与自由空间阻抗值之差的绝对值作为上半腔的阻抗匹配指标，选取该指标最小的若干个结果作为候选；遍历下半腔的厚度参数，在对应厚度下，得到下半腔每一层介质的输入阻抗；将下半腔最顶层的输入阻抗的虚部与jX之差的绝对值作为下半腔的阻抗匹配指标，选取这一指标最小的一个结果作为最优参数；最后计算电长度指标和品质因数指标。本方法加入了用于衡量谐振波长处带宽的两个额外指标，即电长度指标和品质因数指标，即可实现基于点匹配方法的宽带光吸收设计。

技术领域

本发明属于单光子探测器技术领域，具体涉及一种实现超导纳米线单光子探测器宽带光吸收的方法。

背景技术

作为光量子信息系统的重要器件，单光子探测器的研究具有十分重要的理论意义和实际价值。相比于传统的半导体单光子探测器，超导纳米线单光子探测器因其探测效率高、暗计数低、恢复时间短等诸多优点，从2001年提出以来，就获得了研究人员的广泛关注。

由于对入射光的吸收效率直接决定了超导纳米线单光子探测器的探测效率，再加上在许多情况对探测器的响应带宽都有一定的要求，因此，需要对超导纳米线单光子探测器的宽带光吸收设计方法进行深入研究。总的来说，现有的设计方法可以分为点匹配遍历搜寻方法和智能优化方法两种。前者通常从基本的阻抗匹配原理入手，通过遍历可设计的器件结构参数以实现在某些期望波长处器件表面输入阻抗与自由空间阻抗的完全匹配。后者通常采用成熟的智能优化算法，比如粒子群算法、遗传算法等，在预设的器件结构参数范围内搜索全局最优解。点匹配遍历搜寻方法的优点在于物理原理清晰，而且能够为设计人员提供整个预设的搜索范围内，器件结构变化对于光吸收特性影响的详细数据，便于研究人员总结其中的规律。但其缺点也较为明显，即遍历过程计算量较大，需要研究人员对实际物理过程具有较为深刻的理解，从而能在预设参数阶段就避免选择过于复杂的器件结构和过大的遍历搜寻范围。智能优化方法恰恰相反，由于不再采用遍历的搜索方法，对于器件结构的复杂性和参数的范围都具有较高的适应性。但其搜索过程中的诸多随机性使得研究人员很难直观地掌握器件结构对于光吸收特性影响的规律，反而不利于对于实际问题的深入理解。不仅如此，如果缺乏对于实际问题的足够理解，研究人员就很难为智能优化方法开发更为合适的目标函数，从而容易形成一定程度上的恶性循环。因此，需要首先以点匹配遍历搜寻方法作为出发点，通过对物理过程的深入理解，来寻找能够更好地服务于宽带光吸收这一设计目标的新方法。

传统点匹配方法的基本原理是在特定波长点处实现良好的阻抗匹配，在这一过程中缺乏衡量谐振波长处带宽的指标，这种单一的评价标准往往会造成单个波长处阻抗匹配很好，吸收率很高，但稍微偏离这一波长，匹配和吸收急剧恶化的窄带现象。因此，为了实现宽带吸收的设计目标，就需要开发一种更完善的点匹配方法来解决上述这些问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种实现超导纳米线单光子探测器宽带光吸收的方法，解决了现有超导纳米线单光子探测器光吸收特性的点匹配设计方法无法衡量不同匹配结果在谐振波长处带宽的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种实现超导纳米线单光子探测器宽带光吸收的方法，具体实施过程包括以下步骤：

步骤1，将单光子探测器的结构为三部分：上半腔、纳米线层和下半腔；上半腔、下半腔均为多层介质结构，总的介质层数为N；下半腔采用金反射镜作为负载；

步骤2，设单光子探测器期望的谐振波长为λ_q，将上半腔的多层介质结构从上到下依次递增编号，最顶层记为第1层，最底层记为第N₁层，遍历上半腔的厚度参数，在对应厚度下，得到上半腔每一层介质的输入阻抗Z_p；