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  本文關(guān)鍵詞：高效率大面積超導(dǎo)納米線單光子探測器研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《南京大學(xué)》 2015年

高效率大面積超導(dǎo)納米線單光子探測器研究

顧敏  

【摘要】：單光子探測技術(shù)是量子信息和量子通信研究中的重要一環(huán),是實(shí)現(xiàn)對單量子態(tài)進(jìn)行操控、處理和研究的技術(shù)前提。而超導(dǎo)納米線單光子探測器(SNSPD)是一種最新的單光子檢測技術(shù),它具有高效、快速、準(zhǔn)確地探測單光子,同時暗計(jì)數(shù)低、響應(yīng)頻譜寬等特點(diǎn),是當(dāng)前單光子探測技術(shù)研究領(lǐng)域中的熱門研究方向。經(jīng)過近年來的發(fā)展,SNSPD表現(xiàn)出比其他現(xiàn)有單光子探測器更優(yōu)異的性能。在探測效率方面使用NbN材料制備的探測器,其在1550 nm波段的系統(tǒng)探測效率已經(jīng)達(dá)到70%以上,而此時的暗計(jì)數(shù)卻只有100 Hz。同時NbN SNSPD的時間抖動也能夠達(dá)到50 ps,重復(fù)速率理論上超過100 MHz。由于超導(dǎo)納米線單光子探測器非常突出的性能,近幾年來,它被廣泛應(yīng)用于量子保密通訊、集成電路檢測、生物熒光檢測、單光子源標(biāo)定、分布式光纖傳感還有深度成像等領(lǐng)域。本文以理論計(jì)算優(yōu)化模型設(shè)計(jì)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)研究并重,對超導(dǎo)納米線單光子探測器進(jìn)行了一番深入的研究。具體的研究成果主要包括以下幾個方面：1.設(shè)計(jì)了利用光學(xué)薄膜諧振腔的、有效探測面積為30 μm×30μm的高效SNSPD,并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真優(yōu)化。使用磁控濺射研究制備出大面積、均勻的超薄NbN薄膜(4-6 nm)。在電子束曝光中通過曝光圖形的優(yōu)化設(shè)計(jì)、控制加速電壓等一系列手段對曝光過程中出現(xiàn)的鄰近效應(yīng)進(jìn)行校正。系統(tǒng)分析研究了幾種電子束抗蝕劑的分辨率、靈敏度等曝光性能,通過調(diào)節(jié)優(yōu)化膠膜厚度、曝光劑量、顯影條件以及RIE刻蝕工藝的優(yōu)化,完成了對大面積納米線條寬度、均勻性和邊緣陡直度的精細(xì)控制。成功制備出均勻、陡直性非常好的大面積納米線條并用它制備出了SNSPD.研制的大有效探測面積的SNSPD,對1550 nm光信號,當(dāng)暗計(jì)數(shù)為100cps時,系統(tǒng)探測效率達(dá)到72.4%,最大系統(tǒng)探測效率是77.2%。對1650 nm光信號的最大探測效率達(dá)到81.2%。器件的性能指標(biāo)達(dá)到國際主流水平。2.設(shè)計(jì)出了相位光柵與光學(xué)薄膜諧振腔組成的新型復(fù)合光學(xué)結(jié)構(gòu),并將其運(yùn)用于SNSPD中。使用FDTD軟件對這種復(fù)合光學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和優(yōu)化。首先對波長為404 nm的入射光,設(shè)計(jì)了具有單一相位光柵結(jié)構(gòu)的NbN SNSPD,當(dāng)NbN納米線線寬為200 nm時,NbN納米線最高能獲得95%的光子吸收率�？紤]到制備工藝的可行性和器件應(yīng)用的領(lǐng)域。我們將器件的工作波長定為850nm,為發(fā)揮寬波段的特性,我們有增加了諧振腔的設(shè)計(jì)。使用FDTD軟件,通過對光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)節(jié),這種集成相位光柵和光學(xué)薄膜諧振腔的復(fù)合結(jié)構(gòu)的NbN SNSPD,在相位光柵周期為1“m,單個周期內(nèi)納米線為4根寬80 nm的NbN線條,且占空比在1：1的情況下,NbN納米線可以獲得約72%的光子吸收率。并且在684 nm,732 nm,798 nm,924 nm,1256 nm和1426 nm波段上,NbN納米線的吸收效率也均超過了40%,實(shí)現(xiàn)了在寬頻段上具有高探測效率的SNSPD的設(shè)計(jì)。這種復(fù)合光學(xué)腔結(jié)構(gòu)的SNSPD,由于一個周期內(nèi)只有一半的面積上覆蓋有NbN納米線,納米線的長度僅為傳統(tǒng)諧振腔結(jié)構(gòu)SNSPD的一半,器件的探測速率和響應(yīng)時間將獲得很大改善。由于有大面積SNSPD器件研制的基礎(chǔ),我們在設(shè)計(jì)時,充分評估了工藝制備的可行性,利用現(xiàn)有工藝完全可以實(shí)現(xiàn)這種復(fù)合光學(xué)腔結(jié)構(gòu)的SNSPD的制備。為研制具有寬工作頻段、高檢測效率和高探測速率的超導(dǎo)單光子探測器奠定了基礎(chǔ)。3.利用Nb5N6薄膜作為緩沖層,制備了具有高轉(zhuǎn)變溫度和臨界電流密度的NbN SNSPD。對器件的性能表征顯示,我們使用生長在30 nm厚Nb5N6薄膜上的5 nm厚NbN薄膜制備SNSPD。在工作溫度為2.3 K時,它的超導(dǎo)臨界電流達(dá)到38μA。當(dāng)入射光波長為415 nm時,系統(tǒng)探測效率最高,為13.95%,此時的偏置電流為36.1μA,暗計(jì)數(shù)為21 cps。同時動態(tài)電感只有297.8 nH,遠(yuǎn)小于同類NbN SNSPD的500 nH。這意味著恢復(fù)時間大大縮短,本征探測速率得到較大提高。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN15;O413
【目錄】：

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10 郭文其;紅外成像探測器模擬器硬件平臺設(shè)計(jì)[D];西安電子科技大學(xué);2011年

  本文關(guān)鍵詞：高效率大面積超導(dǎo)納米線單光子探測器研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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