阅读说明：本技术 一种基于超导纳米线的单光子偏振探测器件及其实现装置 (Superconducting nanowire-based single photon polarization detection device and implementation device thereof ) 是由 张伟君 孙兴渠 尤立星 李�浩 王镇 谢晓明 于 2020-03-11 设计创作，主要内容包括：本申请涉及一种基于超导纳米线的单光子偏振探测器件及其实现装置,包括：衬底；像元层,像元层置于衬底上；其中,像元层包括一个或多个超像元单元；每个超像元单元包括至少四个像元单元,像元单元由一条蜿蜒曲折的超导纳米线构成；且每个像元单元的超导纳米线结构的平行方向的角度各不同；利用四个超像元对偏振光的偏振角的光响应计数可以实现对线性偏振光的偏振态求解。与现有的半导体偏振探测器相比,本申请中的超导纳米线结构具有线偏振器和光子探测器的双重功能,不仅集合了超导纳米线结构单光子探测器自身的优点,还具有器件规模可拓展、结构简单等特点,有望应用于微弱光环境下的偏振探测及成像、量子通信、天文观测等。(The application relates to a single photon polarization detection device based on superconducting nanowires and an implementation device thereof, comprising: a substrate; the pixel layer is arranged on the substrate; wherein, the image element layer comprises one or more super image element units; each super pixel unit comprises at least four pixel units, and each pixel unit is formed by a meandering super-conductive nanowire; and the angle of the parallel direction of the superconducting nanowire structure of each pixel unit is different; the calculation of the polarization state of the linearly polarized light can be realized by utilizing the light response count of the four super-pixels to the polarization angle of the polarized light. Compared with the existing semiconductor polarization detector, the superconducting nanowire structure has the dual functions of a linear polarizer and a photon detector, integrates the advantages of the superconducting nanowire structure single photon detector, has the characteristics of expandable device scale, simple structure and the like, and is expected to be applied to polarization detection and imaging, quantum communication, astronomical observation and the like in a weak light environment.)

一种基于超导纳米线的单光子偏振探测器件及其实现装置

技术领域

本申请涉及光探测领域，特别涉及一种基于超导纳米线的单光子偏振探测器件及其实现装置。

背景技术

偏振是光的一个重要信息。偏振探测(polarization detection，PD) 作为强度探测的一个有益补充，可以把信息量从三维(光强、光谱和空间) 扩充到七维(光强、光谱、空间、偏振度、偏振方位角、偏振椭圆和旋转的方向)，有助于提高目标探测和地物识别的准确度。

现有的半导体偏振探测器的结构一般分为分时探测、分振幅探测、分孔径探测和分焦平面探测，其中集成度最高的分焦平面结构是把不同偏振方向的微偏振片集成在CCD像元的焦平面上，每四个像元组成一个超像元，实现对Stokes参量的实时探测。

但现有的半导体偏振探测器的微偏振片与CCD像元间的匹配误差以及像元消光比的均匀性要求，会提升工艺的难度。而且现有的半导体偏振探测器的光电探测性能依赖于底层集成的CCD像元阵列，一般灵敏度未达到单光子级别，特别是在近红外波段的性能，比如单光子的探测效率、暗计数率、探测速率、集成度等仍亟待提升。

发明内容

本申请实施例要解决的是现有的半导体偏振探测器的微偏振片与CCD 像元间的匹配误差以及像元消光比的均匀性要求，会提升工艺的难度。而且现有的半导体偏振探测器的光电探测性能依赖于底层集成的CCD像元阵列，单光子探测灵敏度低，性能不高等不足。

为解决上述技术问题，一方面，本申请实施例提供了一种基于超导纳米线的单光子偏振探测器件，该探测器件包括：

衬底；

像元层，像元层设置于衬底；

其中，像元层包括一个或多个超像元单元，多个超像元单元等间距排列；超像元单元包括至少四个像元单元，至少四个像元单元等间距排列；像元单元在预设平面上的投影面积相同，像元单元包括等间距且平行排列的超导纳米线结构，超导纳米线结构依次首尾相连，至少四个像元单元中的每个像元单元的超导纳米线结构的平行方向与预设方向的角度不同。

可选的，超导纳米线对与超导纳米线平行和与超导纳米线垂直这两个方向的偏振光具有吸收差异，且至少四个像元单元中得像元单元的偏振消光比分布均匀。

可选的，超像元单元包括四个像元单元，四个像元单元用于提供对偏振光的光响应计数，偏振光的光响应计数用于联合求解线性偏振光的偏振态，偏振态包括偏振角、线性偏振度(DoLP)、偏振角度(azimuth)、线性偏振光的S1参数和线性偏振光的S2参数中的一种或者多种。

可选的，超导纳米线结构包括1条超导纳米线或者多条等间距、等长度且平行排列的超导纳米线。

可选的，像元单元的形状为方形、圆形或者三角形。

可选的，衬底包括第一二氧化硅层、第一硅层和第二二氧化硅层；

第一二氧化硅层、第一硅层和第二二氧化硅层依次层叠设置。

可选的，衬底还包括绝缘介质层、金属光栅层和金属反射镜层；

绝缘介质层设置于第一二氧化硅层；

像元层和金属光栅层间隔设置于绝缘介质层中；金属光栅层设置于超导纳米线的间距部分的上方；

金属反射镜层设置于绝缘介质层靠近金属光栅层的面上。

可选的，衬底包括光吸收增强结构和第二硅层；

光吸收增强结构设置于第二硅层；光吸收增强结构包括至少两个依次堆叠设置的双层介质材料层，双层介质材料层包括依次堆叠设置的两种不同折射率的材料层。

可选的，超导纳米线的材料为氮化铌、氮化钛铌、氮化钽、硅化钨或者铌。

另一方面提供了一种基于超导纳米线的单光子偏振探测实现装置，该装置包括：

非球面准直透镜、线偏振片、半波片、具有分焦平面的超导纳米线单光子探测器、感测器和处理器；

非球面准直透镜、线偏振片、半波片和具有分焦平面的超导纳米线单光子探测器依次间隔设置；具有分焦平面的超导纳米线单光子探测器包括如上述权利要求中的的基于超导纳米线的单光子偏振探测器件；

感测器用于在预设条件下，检测单光子在自由空间中依次通过非球面准直透镜、线偏振片、半波片和基于超导纳米线的单光子偏振探测器件的偏振参数；

处理器用于根据偏振参数得到单光子的偏振信息。

采用上述技术方案，本申请实施例的一种基于超导纳米线的单光子偏振探测器件及其实现装置及装置具有如下有益效果：

本申请实施例中的一种基于超导纳米线的单光子偏振探测器件及其实现装置包括：衬底；像元层，像元层设置于衬底；其中，像元层包括一个或多个超像元单元，多个超像元单元等间距排列；超像元单元包括至少四个像元单元，至少四个像元单元等间距排列；像元单元包括等间距且平行排列的超导纳米线结构，超导纳米线结构依次首尾相连，至少四个像元单元中的每个像元单元的超导纳米线结构与预设方向之间的角度不同。等间距且平行排列的超导纳米线结构可以用于识别单光子，而且与现有的半导体偏振探测器的微偏振片与CCD像元间需要匹配误差以及达到像元消光比的均匀性要求外，本申请实施例中的超导纳米线结构与预设方向之间的角度不同的至少四个像元单元直接设置于衬底上，可以降低工艺的难度

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的一种基于超导纳米线的单光子偏振探测器件的结构示意图；

图2是本申请实施例提供的一种像元单元的结构示意图；

图3是本申请实施例提供的一种衬底的截面结构示意图；

图4是本申请实施例提供的一种衬底的截面结构示意图；

图5是本申请实施例提供的一种衬底的截面结构示意图；

图6是本申请实施例提供的一种具有分焦平面的超导纳米线单光子探测装置的结构示意图；

图7是本申请实施例提供的基于自由空间系统的测试光路示意图；

图8是本申请实施例提供的四个像元单元计数率随偏振角变化的曲线图；

图9是本申请实施例提供的S1、S2、偏振角和线性偏振度的测量值与参考值对比示意图。；

图10是本申请实施例提供的四个像元单元的偏振角的测量值与参考值的细节对比图；

以下对附图作补充说明：

1-衬底；2-像元层；21-超像元单元；211-像元单元；2111-超导纳米线结构；2114-两条并联的超导纳米线结构；11-第一二氧化硅层；12-第一硅层；13-第二二氧化硅层；14-绝缘介质层；15-金属光栅层；16-金属反射镜层；17-光吸收增强结构；18-第二硅层；61-非球面准直透镜；62-线偏振片；63-半波片；64-具有分焦平面的超导纳米线单光子探测器；65-感测器；66-处理器；71-光源供给设备；12-第一衰减器；73-第二衰减器； 74-非球面准直透镜；75-线偏振片；76-半波片；77-可移动校准设备；771- 偏振探测器；772-功率调节设备；78-噪声滤除设备；79-具有分焦平面的超导纳米线单光子探测器。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

请参阅图1，图1是本申请实施例提供的一种基于超导纳米线的单光子偏振探测器件的结构示意图；如图1所示，该结构包括：衬底1；像元层2，像元层2设置于衬底1；其中，像元层2包括一个或多个超像元单元21，多个超像元单元21等间距排列；超像元单元21包括至少四个像元单元211，至少四个像元单元211等间距排列；像元单元211在预设平面上的投影面积相同，像元单元211包括等间距且平行排列的超导纳米线结构2111，超导纳米线结构2111依次首尾相连，至少四个像元单元中211的每个像元单元211的超导纳米线结构2111与预设方向之间的角度不同。

可选的，至少四个像元单元211按照行和列的阵列规则排列，比如说，每一排包括N个像元单元211等间距排列，N个像元单元211对应的每一列包括M个像元单元211等间距排列。

可选的，超像元单元21包括四个像元单元211,四个像元单元211的超导纳米线结构2111与预设方向之间的角度依次相差45度，分别为0度、 45度、90度和135度。预设方向可以为预设坐标系下的X轴方向或者Y轴方向。

可选的，超导纳米线结构包括1条超导纳米线或者多条等间距、等长度且平行排列的超导纳米线。

像元单元的形状为方形、圆形或者三角形等。

超导纳米线对与超导纳米线平行和与超导纳米线垂直这两个方向的偏振光具有吸收差异，且至少四个像元单元中得像元单元的偏振消光比分布均匀。

所述超像元单元包括四个像元单元，所述四个像元单元用于提供对偏振光的光响应计数，所述偏振光的光响应计数用于联合求解线性偏振光的偏振态，所述偏振态包括偏振角、线性偏振度(DoLP)、偏振角度(azimuth)、线性偏振光的S1参数和线性偏振光的S2参数中的一种或者多种。

超导纳米线在低温下处于超导状态，当有光子入射在纳米线上时会被纳米线吸收，吸收的区域会产生核心热点，因此会破坏超导状态出现一个有阻区，即在一条无电阻的线路上出现一个电阻，阻区就会有电压产生，但是很快这个热点就会消失，因为能量会很快的耗散掉，因此这个电压的产生是瞬时的，电路采集这个产生的脉冲，如此，在超导纳米线形成导通的电路，当有单光子通过的时候，纳米线感测到就会产生一个脉冲，如此，可以通过计算脉冲的数目测得单光子的通过数量。

本申请实施例中的等间距且平行排列的超导纳米线结构2111可以用于识别单光子，而且与现有的半导体偏振探测器的微偏振片与CCD像元间需要匹配误差以及达到像元消光比的均匀性要求外，本申请实施例中的超导纳米线结构2111与预设方向之间的角度不同的至少四个像元单元直接设置于衬底1上，可以降低工艺的难度。

当圆形光斑打在像元单元上的时候，方形的像元单元在预设平面上投影的面积大于圆形光斑在预设平面上的投影面积，方形的像元单元中的部分不会被利用到，造成未被利用到的超导纳米线的浪费，为了解决未被利用到的超导纳米线的浪费，现提供一种可选的实施例，请参阅图2，图2是本申请实施例提供的一种像元单元的结构示意图，如图2所示：

像元单元包括多个两条并联的超导纳米线结构2114，同一个两条并联的超导纳米线结构2114中的超导纳米线的长度相同；

多个两条并联的超导纳米线结构2114依次首尾相连，不同的两条并联的超导纳米线结构2114中的超导纳米线的长度沿与超导纳米线垂直的方向 A依次递增设置，在预设位置后依次递减设置，像元单元中的超导纳米线相对于预设位置对称设置。

像元单元中超导纳米线的边缘组成的轮廓大致呈圆形。

与现有的半导体偏振探测器的微偏振片与CCD像元间需要严格的匹配要求相比，本申请实施例提供了三种不需要如次严格匹配要求的衬底。

第一种可选的实施方式，请参阅图3，图3是本申请实施例提供的一种衬底的截面结构示意图，如图3所示：

该衬底包括第一二氧化硅层11、第一硅层12和第二二氧化硅层13；第一二氧化硅层11、第一硅层12和第二二氧化硅层13依次层叠设置。

可选的，第一二氧化硅层11的厚度为268纳米，第一硅层12的厚度为400微米，第二二氧化硅层13的厚度为268纳米。像元层2设置于第一二氧化硅层11或者第二二氧化硅层13上。该衬底结构通常是光从像素层向衬底入射的器件。

第二种可选的实施方式，请参阅图4，图4是本申请实施例提供的一种衬底的截面结构示意图，如图4所示：

在第一种可选的实施方式的衬底结构的基础上，该衬底还包括绝缘介质层14、金属光栅层15和金属反射镜层16；绝缘介质层14设置于第一二氧化硅层11；像元层2和金属光栅层15间隔设置于绝缘介质层14中；金属光栅层15设置于超导纳米线的间距部分的上方；金属反射镜层15设置于绝缘介质层14靠近金属光栅层15的面上。该衬底结构能有效提高器件的偏振消光比PER(polarization extinction ratio)，从而提高偏振探测的灵敏度。超导纳米线和金属光栅层15都是能导通的，所以需要绝缘介质层14对超导纳米线和金属光栅层15进行隔离。可选的，绝缘介质层14 的材料可以为一氧化硅或者二氧化硅。

金属光栅层15包括等间距排列的多个金属光栅，金属光栅与超导纳米线的间距部分一一对应；金属光栅设置于超导纳米线的间距部分的上方。

可选的，金属反射镜层16包括金反射镜层或者银反射镜层。

可选的，绝缘介质层14的厚度为200纳米，金属反射镜层16的厚度为200纳米。

第三种可选的实施方式，请参阅图5，图5是本申请实施例提供的一种衬底的截面结构示意图，如图5所示：

该衬底包括光吸收增强结构17和第二硅层18；光吸收增强结构17设置于第二硅层18；光吸收增强结构17包括至少两个依次堆叠设置的双层介质材料层，双层介质材料层包括依次堆叠设置的两种不同折射率的材料层。可选的，金属光栅层的材料为铝。

可选的，光吸收增强结构17用来实现特定波段或者多个波段的吸收增强。例如：由15个周期性堆叠的SiO₂/Ta₂O₅双层介质材料形成的DBR高反结构，可以有效增强器件在1550nm波段的吸收，超导纳米线制备在此衬底上可以在保持偏振探测能力同时具有较高的探测效率，该衬底结构通常是光从像素层向衬底入射的器件。

可选的，超导纳米线的材料为氮化铌。

另一方面，本申请实施例提供了一种基于超导纳米线的单光子偏振探测其实现装置，请参阅图6，图6是本申请实施例提供的一种具有分焦平面的超导纳米线单光子探测装置的结构示意图；如图6所示，该装置包括：

非球面准直透镜61、线偏振片62、半波片63、具有分焦平面的超导纳米线单光子探测器64、感测器65和处理器66；非球面准直透镜61、线偏振片62、半波片63和具有分焦平面的超导纳米线单光子探测器64依次间隔设置；

所述具有分焦平面的超导纳米线单光子探测器64包括如上述的基于超导纳米线的单光子偏振探测器件；

感测器65用于在预设条件下，检测单光子在自由空间中依次通过非球面准直透镜61、线偏振片62、半波片63和具有分焦平面的超导纳米线单光子探测器64的偏振参数；处理器66用于根据偏振参数得到单光子的偏振信息。线偏振片62用于输出线性偏振光，半波片63用于控制线性偏振光的偏振角度变化。可选的，偏振参数可以为偏振光在预设时间段通过超导纳米线与预设方向之间的角度依次相差45度，分别为0度、45度、90 度和135度的四个像元单元的的光子个数，偏振信息为入射光的偏振角。

图7是本申请实施例提供的基于自由空间系统的测试光路的测试效果示意图；如图7所示：

光源供给设备71发射的光通过SMF光纤传输到第一衰减器72进行衰减，然后再传输到第二衰减器73进行衰减，生成单光子，单光子再通过非球面准直透镜74传输到线偏振片75，形成线性偏振光，再通过半波片76 输出具有预设偏振角度的线性偏振光，线性偏振光通过可移动校准设备77 中的偏振探测器771测量出线性偏振光的偏振角S1、S2和线性偏振度等参考值，功率调节设备772用于保证传输到偏振探测器771中的线偏振光的在预设强度。将可移动校准设备77移除后，线性偏振光通过噪声滤除设备 78滤除背景噪声，后传输到具有分焦平面的超导纳米线单光子探测器79，再用感测器探测到在预设时间段通过具有分焦平面的超导纳米线单光子探测器79的像元单元的的光子个数。以超像元单元包括四个像元单元,四个像元单元的超导纳米线与预设方向之间的角度依次相差45度，分别为0度、45度、90度和135度为例，说明偏振角Azimuth测量方法：为了保证入射光子的极化状态与最终到达器件的一致性，需要使用自有空间光路。该光路还可以使用半导体极化探测器在高光强时，对入射光极化状态的实时监控。测量时，选取每个像素的饱和偏置点(本征效率100％)进行测量，得到四个像元单元的光计数随偏振角变化的正弦曲线，各自除以最大计数作归一化处理来消除耦合差异。再代入如下公式：

计算得入射光的偏振角Azimuth，PCR_0°、PCR_45°、PCR_90°、PCR_135°为偏振光在预设时间段通过超导纳米线与预设方向之间的角度依次相差45度，分别为0度、45度、90度和135度的四个像元单元的的光子个数。

请参阅图8，图8是本申请实施例提供的四个像元单元计数率随偏振角变化的曲线图；以四个像元单元为例，图8展示了本申请实施例提供的一种基于超导纳米线的单光子偏振探测器件计数率随入射光偏振角度变化的正弦曲线图，既表明了超导纳米线的偏振敏感性，对四条曲线的数据分析也可以提取出线偏振光的相位信息即偏振角度信息。

图9是本申请实施例提供的S1、S2、偏振角和线性偏振度的测量值与参考值对比示意图。以四个像元单元为例，图9展示了本申请实施例提供的一种基于超导纳米线的单光子偏振探测器件的偏振探测效果，以线性偏振度(DoLP)、偏振角度(azimuth)、S1参数和S2参数作为考察指标，在多次测量下的测量值与线性偏振光参考值的对比，具有良好的线性度，线性偏振光参考值为现有的探测精度较高的偏振探测器探测得到的。

图10是本申请实施例提供的四个像元单元的偏振角的测量值与参考值的细节对比图；以四个像元单元为例，图9展示了本申请实施例提供的一种基于超导纳米线的单光子偏振探测器件的线偏振角探测值与参考值的细节对比图，可以看见二者匹配具有良好的线性度，控制偏差在4°以内，且具有单光子探测能力。

本申请涉及一种基于超导纳米线的单光子偏振探测器件及其实现装置，其中该器件结构包括：衬底；像元层，像元层置于衬底上；其中，像元层包括一个或多个超像元单元，多个超像元单元等间距排列；超像元单元包括至少四个像元单元，至少四个像元单元等间距排列；所述像元单元在预设平面上的投影面积相同；像元单元包括等间距且平行排列的超导纳米线结构，超导纳米线结构依次首尾相连，至少四个像元单元中的每个像元单元的超导纳米线结构的平行方向的角度各不同；并且纳米线对平行、垂直于纳米线这两个方向的偏振光具有显著的吸收差异(即偏振消光比，越大越好)。通过测量四个超像元对偏振光的偏振角的光响应计数，可以实现线性偏振光的偏振态探测。与现有的半导体偏振探测器(比如基于微偏振片CCD偏振探测器)相比，本申请中，超导纳米线结构能实现线偏振器和光子探测器的双重功能，且具有单光子级别的灵敏度。在本发明结构基础上，可以根据应用需求更换不同衬底，也能在纳米线的顶部集成多层介质或金属，使得器件具有更高的偏振比和探测效率。本发明集合了超导纳米线结构单光子探测器的优点，同时还具有器件规模可拓展、结构简单等特点，有望在微弱光环境下的偏振探测及成像、量子通信、天文观测和遥感等领域发挥作用。

以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。