背面光耦合超導納米線單光子探測器件、制備及測試裝置的制作方法

文檔序號:19792831發布日期:2020-01-24 15:44
背面光耦合超導納米線單光子探測器件、制備及測試裝置的制作方法

本發明屬于光探測技術領域,涉及一種背面光耦合超導納米線單光子探測器件、制備及測試裝置。



背景技術:

超導納米線單光子探測器(superconductingnanowiresinglephotondetector,snspd)是近十幾年發展起來的新型單光子探測技術,其相對于半導體探測器的最大的優勢就是其超高的探測效率、快速響應速度以及幾乎可以忽略的暗計數,且光譜響應范圍可覆蓋可見光至紅外波段。2001年,莫斯科師范大學gol’tsman小組首先利用5nm厚的nbn超薄薄膜制備了一條200nm寬的超導納米線,成功實現了可見光到近紅外波段的單光子探測,開啟了超導納米線單光子探測器的先河。此后,歐、美、俄、日等多個國家和研究小組紛紛開展了對snspd的研究。經過十余年的發展,snspd在1.5μm波長的探測效率從開始的不足1%已經提升到70%以上,甚至超過90%,遠超過半導體單光子探測器的探測效率。除此之外,其在暗計數、低時間抖動、高計數率等方面的優異性能已經在眾多應用領域得到了驗證。因此,在近紅外波段附近具有優良性能表現的snspd無疑為激光雷達、量子信息等應用提供了很好的工具。

目前snspd已成為超導電子學和單光子探測領域的研究熱點,并有力的推動了量子信息、激光雷達等領域的科技發展。國際上snspd領域研究著名機構包括,美國的mit、jpl、nist、日本的nict、俄羅斯的mspu等。目前光纖通信波段1550nm,探測效率最高的器件為美國nist采用極低溫超導材料wsi(工作溫度<1k)研發,探測效率高達93%,而采用低溫超導材料nbn(工作溫度>2k)研發的snspd最高探測效率也達到了80%以上。除科研機構外,國際上目前已有6家主要從事snspd相關技術產品的公司。

隨著snspd技術發展,近年來其應用范圍從1550nm波段延伸到可見及近紅外其他波段。一方面體現在研究人員對不同波段探測器的需求日益增加,另一方面多波光的應用需要探測器同時實現幾個不同波長的高效探測。

現有的單光子探測器有兩種典型器件結構,即基于鏡面結構(金屬反射鏡或介質高反膜結構反射鏡)的正面光耦合器件及基于光學腔的背面光耦合器件。其光耦合方式按照光傳輸到光敏面的方式分為自空間光耦合、光纖耦合和波導耦合這三種主要方式,由于受限于snspd的工作環境需要液氦溫度以下,其中基于光纖耦合方式的snspd是目前應用最為廣泛的。

snspd在進行光纖耦合時,主要依靠機械調節法進行固定封裝,并使用光學方式觀察光斑與光敏面,即將光纖出射的光斑打到snspd光敏面上,在顯微鏡下,通過調節光纖端面和snspd光敏面的相對位置,然后機械固定光纖與snspd的位置,進行光耦合測試。然而,現有的背面光耦合超導納米線單光子探測器件無法直接觀測光敏面,且由于g-m制冷在工作中存在有一定頻率的機械運動,測試裝置需要經歷從室溫到液氦溫區的升降溫,則測試裝置材料本身的熱脹冷縮會導致光纖出射的光斑在低溫下有幾率出現偏移(通常為μm量級)。

因此,提供一種背面光耦合超導納米線單光子探測器件、制備及測試裝置,以解決背面光耦合超導納米線單光子探測器件無法直接觀測光敏面的缺點,提高光耦合對準精度,減小光耦合測試中升降溫存在的隨機光斑偏移問題,實現高穩定性的自對準光耦合,實屬必要。



技術實現要素:

鑒于以上所述現有技術的缺點,本發明的目的在于提供一種背面光耦合超導納米線單光子探測器件、制備及測試裝置,用于解決現有技術中在對背面光耦合超導納米線單光子探測器件進行光耦合時所存在的上述一系列的問題。

為實現上述目的及其他相關目的,本發明提供一種背面光耦合超導納米線單光子探測器件,所述背面光耦合超導納米線單光子探測器件包括:

器件光敏區域;

定位環,所述定位環包括至少一個定位環開口,所述定位環貫穿所述超導納米線單光子探測器件,且所述定位環位于所述器件光敏區域外圍。

可選地,所述器件光敏區域的中心還包括標記刻度尺,通過所述標記刻度尺將對光精度量化。

可選地,所述定位環的中心與所述器件光敏區域的中心位于同一垂線上。

本發明還提供一種制備背面光耦合超導納米線單光子探測器件的方法,包括以下步驟:

提供襯底,所述襯底包括第一表面及與所述第一表面對應設置的第二表面;

于所述襯底的第一表面上形成超導納米線;

于所述襯底的第一表面上形成金屬反射鏡光學腔;

于所述襯底的第二表面上形成光刻膠,圖形化所述光刻膠,且以圖形化的所述光刻膠作為掩膜,進行刻蝕,形成定位環,其中,所述定位環貫穿所述超導納米線單光子探測器件,所述定位環包括至少一個定位環開口,且所述定位環位于器件光敏區域外圍。

可選地,所述器件光敏區域的中心還包括標記刻度尺,所述標記刻度尺在形成所述超導納米線的同時形成,且所述標記刻度尺顯露于所述金屬反射鏡光學腔,以通過所述標記刻度尺將對光精度量化。

本發明還提供一種用于測試上述背面光耦合超導納米線單光子探測器件的測試裝置,所述測試裝置包括:

封裝件,所述封裝件包括第一部件及第二部件,所述第一部件包括槽體,所述槽體與所述定位環對應設置,所述第二部件包括貫通孔,所述貫通孔顯露所述器件光敏區域及定位環,所述第一部件與所述第二部件之間包括容納所述背面光耦合超導納米線單光子探測器件的容納空間,且所述容納空間與所述槽體及貫通孔相連通;

套管,所述套管包括第一端及對應的第二端,所述套管的第一端與所述槽體對應設置,且所述套管的第一端經所述貫通孔及容納空間與所述槽體相連接,所述套管的第二端與光纖插頭相連接。

可選地,所述容納空間位于所述第一部件內,所述第二部件包括pcb電路板,且所述pcb電路板與所述背面光耦合超導納米線單光子探測器件電連接。

可選地,所述光纖插頭的中心、所述套管的中心、所述容納空間的中心與所述槽體的中心位于同一垂線上。

可選地,所述套管及封裝件的材質包括陶瓷或金屬。

可選地,所述第一部件與所述第二部件的連接方式包括卡固、銷固及螺紋連接中的一種或組合;所述套管與所述光纖插頭的連接方式包括緊配合,所述套管與所述槽體的連接方式包括緊配合。

如上所述,本發明的背面光耦合超導納米線單光子探測器件、制備及測試裝置,通過制備具有特殊形貌的背面光耦合超導納米線單光子探測器件及設計用于測試背面光耦合超導納米線單光子探測器件的測試裝置,使得背面光耦合超導納米線單光子探測器件固定于封裝件中,并通過套管與封裝件及光纖插頭的連接,使得光纖插頭的中心與背面光耦合超導納米線單光子探測器件的中心位于同一垂線上,從而實現光纖出射光與背面光耦合超導納米線單光子探測器件的自對準;且通過在器件光敏區域的中心制備標記刻度尺,可通過標記刻度尺將對光精度量化。本發明解決了背面光耦合在對光中存在無法直接觀測光敏面的缺點,測試裝置采用低熱膨脹系數材質,且套管以緊配合方式連接,從而大大減小光耦合測試中升降溫存在的隨機光斑偏移,減小系統性的對光誤差,實現高穩定性的自對準光耦合,進一步的利用微納加工技術的亞微米級高加工精度,加工出幾何尺寸進度為μm級的自對準器件,并利用μm級的標記刻度尺,結合光學顯微鏡可以直接量化對光誤差,使得對光誤差控制在μm量級。

附圖說明

圖1顯示為本發明中的背面光耦合超導納米線單光子探測器件的俯視結構示意圖。

圖2顯示為圖1中沿a-a’方向形成的背面光耦合超導納米線單光子探測器件的截面結構示意圖。

圖3顯示為本發明中的具有標記刻度尺的背面光耦合超導納米線單光子探測器件的俯視結構示意圖。

圖4顯示為圖3中沿b-b’方向形成的背面光耦合超導納米線單光子探測器件的截面結構示意圖。

圖5顯示為本發明中的制備背面光耦合超導納米線單光子探測器件的方法的工藝流程圖。

圖6顯示為本發明中的測試裝置的結構示意圖。

圖7顯示為圖6中沿c-c’方向形成的截面結構示意圖。

元件標號說明

100背面光耦合超導納米線單光子探測器件

101器件光敏區域

102定位環

10si襯底

20nbn超導納米線

30sio層

40金屬ag層

50sio2下抗反射層

60sio2上抗反射層

70標記刻度尺

210封裝件

211第一部件

212第二部件

2121電極

220套管

300光纖插頭

具體實施方式

以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式,本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用,本說明書中的各項細節也可以基于不同觀點與應用,在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。

請參閱圖1~圖7。需要說明的是,本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想,遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪制,其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變,且其組件布局型態也可能更為復雜。

如圖1本實施例提供一種背面光耦合超導納米線單光子探測器件100,所述背面光耦合超導納米線單光子探測器件100包括:器件光敏區域101及定位環102,所述定位環102包括至少一個定位環開口,所述定位環102貫穿所述背面光耦合超導納米線單光子探測器件100,且所述定位環102位于所述器件光敏區域101外圍。

具體的,所述定位環開口作為所述背面光耦合超導納米線單光子探測器件100的連接部,以連接所述器件光敏區域101。具有特殊形貌的貫穿所述背面光耦合超導納米線單光子探測器件100的所述定位環102與后續的測試裝置中的套管220相配合,通過所述測試裝置,可實現所述背面光耦合超導納米線單光子探測器件100的自對準,以實現高穩定性的自對準光耦合,具體實現方式后續將進行詳細闡述。

作為示例,所述定位環102的中心與所述器件光敏區域101的中心位于同一垂線上。

作為示例,所述定位環102的形狀可以根據實際需要進行設定,所述定位環102的形狀可以包括帶有所述定位環開口的圓環狀、方環狀等等。優選地,本實施例中,所述定位環102的形狀采用圓環狀,以便于后續對所述測試裝置的加工。

作為示例,所述背面光耦合超導納米線單光子探測器件100包括襯底、超導納米線及金屬反射鏡光學腔,進一步的,所述背面光耦合超導納米線單光子探測器件100的所述襯底的上表面還設有上抗反射層,所述襯底的下表面還設有下抗反射層。

作為示例,所述襯底可包括si襯底10、mgo襯底或藍寶石襯底,具體可根據制備工藝的選擇進行確定;所述襯底的厚度可以根據實際需要進行設定,如所述襯底的厚度可以為但不僅限于300μm~500μm。優選地,本實施例中,所述襯底選用常用的si襯底10,所述si襯底10的厚度選為400μm。當然,其他種類的襯底或厚度也可能適用于本發明,因此,并不限定于此處所列舉的示例。

作為示例,所述超導納米線可包括nbn超導納米線20、nb超導納米線、tan超導納米線、mosi超導納米線、moge超導納米線、nbtin超導納米線或wsi超導納米線。

作為示例,所述超導納米線可包括曲折蜿蜒形狀;所述超導納米線的輪廓可包括圓形、橢圓形及多邊形中的一種或組合,具體可根據需要進行選擇。

作為示例,所述超導納米線的寬度可以為50nm~100nm,所述超導納米線的厚度可以為5nm~10nm,所述超導納米線的尺寸及具體形貌可以根據實際需要進行設定。

具體的,本實施例中,所述超導納米線采用所述nbn超導納米線20,厚度為7nm,形貌為呈周期性曲折蜿蜒形狀,且每個折彎處均為直角或u形拐角,但所述nbn超導納米線20的尺寸及形貌并非局限于此。

作為示例,所述金屬反射鏡光學腔可包括依次堆疊的sio層30及金屬ag層40,但并非局限于此,所述sio層30也可采用sio2層,所述金屬ag層40也可采用au或al,所述上抗反射層可采用sio2上抗反射層60,所述下抗反射層可采用sio2下抗反射層50,但并非局限于此,也可采用sio層作為所述上抗反射層或下抗反射層的材料。

作為示例,所述器件光敏區域101的中心還包括標記刻度尺70,通過所述標記刻度尺70將對光精度量化。

具體的,優選所述標記刻度尺70在形成所述nbn超導納米線20的同時形成,但并非局限于此。如圖3及圖4,所述標記刻度尺70顯露于所述金屬反射鏡光學腔,從而可通過所述標記刻度尺70將對光精度量化。本實施例中利用微納加工技術的亞微米級高加工精度,加工出幾何尺寸進度為μm級的自對準器件,并利用μm級的所述標記刻度尺70,結合光學顯微鏡可以直接量化對光誤差,使得對光誤差控制在μm量級。

如圖5,本實施例還提供一種制備背面光耦合超導納米線單光子探測器件的方法,包括以下步驟:

提供襯底,所述襯底包括第一表面及與所述第一表面對應設置的第二表面;

于所述襯底的第一表面上形成超導納米線;

于所述襯底的第一表面上形成金屬反射鏡光學腔;

于所述襯底的第二表面上形成光刻膠,圖形化所述光刻膠,且以圖形化的所述光刻膠作為掩膜,進行刻蝕,形成定位環,其中,所述定位環貫穿所述超導納米線單光子探測器件,所述定位環包括至少一個定位環開口,且所述定位環位于器件光敏區域外圍。

作為示例,當所述器件光敏區域的中心還包括標記刻度尺時,優選所述標記刻度尺在形成所述超導納米線的同時形成,且所述標記刻度尺顯露于所述金屬反射鏡光學腔,以通過所述標記刻度尺將對光精度量化。

具體的,所述背面光耦合超導納米線單光子探測器件的結構及材質的選擇可參閱上述背面光耦合超導納米線單光子探測器件100,此處不作贅述。在形成所述超導納米線時,可采用ebl工藝,形成所述金屬反射鏡光學腔時,可采用電子束蒸發蒸鍍所述sio層30及金屬ag層40,及在形成所述定位環時,可采用icp刻蝕工藝刻蝕。所述標記刻度尺在形成所述超導納米線的同時形成,可進一步的提高所述標記刻度尺的位置精度。

如圖6~圖7,本實施例還提供一種用于測試所述背面光耦合超導納米線單光子探測器件100的測試裝置,所述測試裝置包括:封裝件210,所述封裝件210包括第一部件211及第二部件212,所述第一部件211包括槽體,所述槽體與所述定位環102對應設置,所述第二部件212包括貫通孔,所述貫通孔顯露所述器件光敏區域101及定位環102,所述第一部件211與所述第二部件212之間包括容納所述背面光耦合超導納米線單光子探測器件100的容納空間,且所述容納空間與所述槽體及貫通孔相連通;

套管220,所述套管220包括第一端及對應的第二端,所述套管220的第一端與所述槽體對應設置,且所述套管220的第一端經所述貫通孔及容納空間與所述槽體相連接,所述套管220的第二端與所述光纖插頭300相連接。

作為示例,優選所述槽體與所述背面光耦合超導納米線單光子探測器件100的所述定位環102具有相同形貌且可在垂直方向上相重合,以便于所述槽體對所述背面光耦合超導納米線單光子探測器件100的支撐。優選所述套管220的第一端與所述背面光耦合超導納米線單光子探測器件100的所述定位環102具有相同形貌且可在垂直方向上相重合,便于所述套管220與所述槽體及所述背面光耦合超導納米線單光子探測器件100的連接。

作為示例,所述容納空間可位于所述第一部件211內,所述容納空間也可位于所述第二部件212內或由所述第一部件211與所述第二部件212組合形成,具體可根據所述第一部件211與所述第二部件212的材質進行選擇,以便于加工制備。

作為示例,所述第二部件212包括pcb電路板,且所述pcb電路板與所述背面光耦合超導納米線單光子探測器件100電連接,以便于簡化所述測試設備的結構,且便于后續對所述背面光耦合超導納米線單光子探測器件100的光耦合測試,但并非局限于此。本實施例中優選所述第二部件212采用所述pcb電路板且所述pcb電路板上設置有電極2121,所述容納空間位于所述第一部件211內,且所述背面光耦合超導納米線單光子探測器件100部分顯露出所述容納空間,以便于通過所述背面光耦合超導納米線單光子探測器件100與所述電極2121電連接,但所述背面光耦合超導納米線單光子探測器件100的電連接方式并非局限于此,也可采用其他連接方式,此處不作過分限制。

作為示例,所述光纖插頭300的中心、所述套管220的中心、所述容納空間的中心與所述槽體的中心位于同一垂線上,以進一步的提高自對準光耦合的精度。

作為示例,優選所述套管220及封裝件210的材質采用低熱膨脹系數材質,如陶瓷、金屬等,以便于在進行光耦合時,減小測試裝置因升降溫引起測試裝置材料本身的熱脹冷縮所導致的光纖出射光斑在低溫下有幾率出現偏移的問題,提高光耦合對準精度,實現高穩定性的自對準光耦合。

作為示例,所述第一部件211與所述第二部件212的連接方式包括卡固、銷固及螺紋連接中的一種或組合。

作為示例,所述套管220與所述光纖插頭300的連接方式包括緊配合,所述套管220與所述槽體的連接方式包括緊配合,從而降低所述光纖插頭300、所述套管220及所述槽體在升降溫中造成的隨機光斑偏移。

具體的,如圖6及圖7,本實施例中,容納所述背面光耦合單光子探測器件100的所述容納空間位于所述第一部件211內,且所述背面光耦合單光子探測器件100部分顯露出所述容納空間,所述第二部件212采用所述pcb電路板,所述pcb電路板上設置有電極2121,以通過所述電極2121直接與顯露出所述容納空間的所述背面光耦合單光子探測器件100電連接;所述槽體與所述定位環102具有相同形貌且在垂線上可相重合,以便于支撐所述背面光耦合單光子探測器件100,以及便于所述槽體及背面光耦合單光子探測器件100與所述套管220的緊配合;所述槽體貫穿所述第一部件211,以進一步的提高所述槽體與所述套管220的緊配合;優選所述pcb電路板上設置的所述貫通孔的邊緣與所述定位環102的邊緣在垂線上重合,在避免對所述光纖插頭300的出射光的阻擋的前提下,便于所述套管220與所述pcb電路板的緊配合;所述光纖插頭300與所述套管220的連接方式優選緊配合;從而使得所述套管220以緊配合方式連接,實現高穩定性的自對準光耦合。

綜上所述,本發明的背面光耦合超導納米線單光子探測器件、制備及測試裝置,通過制備具有特殊形貌的背面光耦合超導納米線單光子探測器件及設計用于測試背面光耦合超導納米線單光子探測器件的測試裝置,使得背面光耦合超導納米線單光子探測器件固定于封裝件中,并通過套管與封裝件及光纖插頭的連接,使得光纖插頭的中心與背面光耦合超導納米線單光子探測器件的中心位于同一垂線上,從而實現光纖出射光與背面光耦合超導納米線單光子探測器件的自對準;且通過在器件光敏區域的中心制備標記刻度尺,可通過標記刻度尺將對光精度量化。本發明解決了背面光耦合在對光中存在無法直接觀測光敏面的缺點,測試裝置采用低熱膨脹系數材質,且套管以緊配合方式連接,從而大大減小光耦合測試中升降溫存在的隨機光斑偏移,減小系統性的對光誤差,實現高穩定性的自對準光耦合,進一步的利用微納加工技術的亞微米級高加工精度,加工出幾何尺寸進度為μm級的自對準器件,并利用μm級的標記刻度尺,結合光學顯微鏡可以直接量化對光誤差,使得對光誤差控制在μm量級。所以,本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。

上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效,而非用于限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及范疇下,對上述實施例進行修飾或改變。因此,舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變,仍應由本發明的權利要求所涵蓋。

再多了解一些
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