阅读说明：本技术 一种snspd阵列与光波导阵列的耦合装置及方法 (Coupling device and method for SNSPD array and optical waveguide array ) 是由 张伟君 徐光照 李�浩 尤立星 谢晓明 于 2020-03-18 设计创作，主要内容包括：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。(The coupling device comprises a metal base, a silicon substrate layer, a DBR medium layer, a niobium nitride layer with an upper surface etched with an SNSPD array, an optical waveguide array and a fixing seat, wherein unit optical waveguides correspond to the unit SNSPDs one to one, one end of the fixing seat is connected with the side surface of the optical waveguide array, and the other end of the fixing seat is connected with the upper surface of the metal base. Compared with the traditional method for coupling a single SNSPD device and a single optical fiber, the method has the advantages of improving the integration degree of the SNSPD, expanding the scale of the device and the like, is favorable for improving the working efficiency and realizing the mass production of the SNSPD, and in addition, compared with the on-chip integrated oblique incidence coupling or evanescent wave coupling method, the method for directly coupling the SNSPD array and the optical waveguide array by adopting a separated vertical coupling method can effectively reduce the optical path loss and improve the optical coupling efficiency.)

一种SNSPD阵列与光波导阵列的耦合装置及方法

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，

光纤阵列和飞秒激光直写波导；光纤阵列包括单模光纤阵列或多模光纤阵列；

第二组件还包括连接槽；

光纤阵列与连接槽连接；或者，

光纤阵列、连接槽和飞秒激光直写波导依次连接；

连接槽用于确定光纤阵列与飞秒激光直写波导耦合后形成的光束通道的位置。

进一步地，固定组件还包括紫外固化胶或低温胶；紫外固化胶或低温胶用于将光波导阵列与SNSPD阵列固定。

进一步地，SNSPD阵列中的单元SNSPD对应的光敏面积大于光波导阵列中的单元光波导对应的模场直径。

进一步地，SNSPD阵列包括但不限于一维线阵或者二维面阵。

相应地，本申请实施例还提供了一种SNSPD阵列与光波导阵列的耦合方法，该方法包括：

获取硅衬底层；

在硅衬底层上制备DBR介质层；

在DBR介质层上表面制备氮化铌层，以及在氮化铌层的上表面刻蚀出SNSPD阵列；

利用对准辅助装置将光波导阵列垂直对准SNSPD阵列进行耦合，使得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；

利用固定组件将光波导阵列固定在金属底座上。

进一步地，光波导阵列包括单模光纤阵列；

单模光纤阵列中的单根光纤与SNSPD阵列中的单元SNSPD一一对应。

进一步地，光波导阵列包括单模光纤阵列和飞秒激光直写波导；

单模光纤阵列中的单根光纤与飞秒激光直写波导中的单元波导一一对应，飞秒激光直写波导中的单元波导与SNSPD阵列中的单元SNSPD一一对应。

进一步地，光波导阵列包括多模光纤阵列和飞秒激光直写波导；

多模光纤阵列中的单根光纤与飞秒激光直写波导中的单元波导一一对应，飞秒激光直写波导中的单元波导与SNSPD阵列中的单元SNSPD一一对应。

进一步地，利用对准辅助装置将光波导阵列垂直对准SNSPD阵列进行耦合，包括：

利用高精度四维移动平台将光波导阵列垂直对准SNSPD阵列进行耦合。

采用上述技术方案，本申请具有如下有益效果：

本申请实施例提供的一种SNSPD阵列与光波导阵列的耦合装置及方法，其中，耦合装置包括第一组件，其中，第一组件自下而上依次包括金属底座和SNSPD阵列芯片，该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，其中，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，其中，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。基于本申请实施例，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，本申请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。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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为本申请实施例所提供的一种SNSPD阵列与光波导阵列的耦合装置的平面结构示意图；

图2是图1所提供的SNSPD阵列与光波导阵列的耦合装置的立体结构示意图；

图3是图2所提供的SNSPD阵列与光波导阵列的耦合装置的立体结构中耦合位置处的放大图；

图4为本申请实施例所提供的一种SNSPD阵列与光波导阵列的耦合装置的平面结构示意图；

图5是图4所提供的SNSPD阵列与光波导阵列的耦合装置的立体结构示意图；

图6是图5所提供的SNSPD阵列与光波导阵列的耦合装置的立体结构中耦合位置处的放大图；

图7为本申请实施例所提供的一种SNSPD阵列与光波导阵列的耦合装置的平面结构示意图；

图8是图7所提供的SNSPD阵列与光波导阵列的耦合装置的立体结构示意图；

图9是图8所提供的SNSPD阵列与光波导阵列的耦合装置的立体结构中耦合位置处的放大图；

图10为本申请实施例所提供的一种SNSPD阵列芯片与金属底座的横截面结构示意图；

图11为本申请实施例所提供的一种SNSPD阵列与外部电路连接的立体装置示意图；

图12为本申请实施例所提供的一种SNSPD阵列与光波导阵列的耦合方法的流程示意图。

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“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。需要理解的是，在本申请实施例的描述中，术语“上”和“下”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。需要说明的是，术语“包括”以及其任何形式的变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列的结构或步骤的装置或方法不必限于清楚地列出那些结构或步骤，而是可以包括没有清楚地列出的或对于这些装置或方法固有的其他结构或步骤。

请参考图1，图1为本申请实施例所提供的一种SNSPD阵列与光波导阵列的耦合装置的平面结构示意图，图中包括：第一组件1、第二组件2和第三组件3，其中，第一组件自下而上依次包括金属底座11和SNSPD阵列芯片，该SNSPD阵列芯片自下而上依次包括硅衬底层12、DBR介质层13和氮化铌层，氮化铌层的上表面刻蚀有SNSPD阵列14，第二组件2包括光波导阵列21，该光波导阵列21中的单元光波导与SNSPD阵列14中的单元SNSPD一一对应，固定组件3包括固定座31，该固定座31的一端与光波导阵列21的侧表面连接，固定座31的另一端与金属底座11的上表面连接。

基于图1所描述的SNSPD阵列与光波导阵列的耦合装置，介绍几种SNSPD阵列与光波导阵列的耦合装置的具体结构示意图。

一种可选的实施方式中，如图1、图2和图3所示，其中，图1为本申请实施例所提供的一种SNSPD阵列与光波导阵列的耦合装置的平面结构示意图，图2是图1所提供的SNSPD阵列与光波导阵列的耦合装置的立体结构示意图，图3是图2所提供的SNSPD阵列与光波导阵列的耦合装置的立体结构中耦合位置处的放大图。

不难得到，NSPD阵列与光波导阵列的耦合装置包括第一组件1、第二组件2和第三组件3，其中，第一组件自下而上依次包括金属底座11和SNSPD阵列芯片，该SNSPD阵列芯片自下而上依次包括硅衬底层12、DBR介质层13和氮化铌层，氮化铌层的上表面刻蚀有SNSPD阵列14；第二组件2包括光波导阵列21和连接槽22，该光波导阵列21中的单元光波导与SNSPD阵列14中的单元SNSPD一一对应，且SNSPD阵列14中的单元SNSPD对应的光敏面积大于光波导阵列21中的单元光波导对应的模场直径；固定组件3包括固定座31和紫外固化胶或低温胶，该紫外固化胶或低温胶用于将光波导阵列21与SNSPD阵列14固定，该固定座31的一端与光波导阵列21的侧表面连接，固定座31的另一端与金属底座11的上表面连接。其中，连接槽22可具体为V-groove，即V型连接槽，固定座31可具体为三角形夹紧零件。

具体地，上文中提及的光波导阵列21包括单模光纤阵列211和飞秒激光直写波导212，其中，单模光纤阵列211为一维线阵，单模光纤阵列211、连接槽22和飞秒激光直写波导212依次连接，并采用高精度的X、Y、Z、θ四维移动平台将依次连接的单模光纤阵列211、连接槽22和飞秒激光直写波导212与SNSPD阵列14连接，使得单模光纤阵列211中的单根光纤与飞秒激光直写波导212中的单元波导一一对应，且飞秒激光直写波导212中的单元波导与SNSPD阵列14中的单元SNSPD一一对应。

另一种可选的实施方式中，如图4、图5和图6所示，其中，图4为本申请实施例所提供的一种SNSPD阵列与光波导阵列的耦合装置的平面结构示意图，图5是图4所提供的SNSPD阵列与光波导阵列的耦合装置的立体结构示意图，图6是图4所提供的SNSPD阵列与光波导阵列的耦合装置的立体结构中耦合位置处的放大图。

不难得到，NSPD阵列与光波导阵列的耦合装置包括第一组件1、第二组件2和第三组件3，其中，第一组件自下而上依次包括金属底座11和SNSPD阵列芯片，该SNSPD阵列芯片自下而上依次包括硅衬底层12、DBR介质层13和氮化铌层，氮化铌层的上表面刻蚀有SNSPD阵列14；第二组件2包括光波导阵列21和连接槽22，该光波导阵列21中的单元光波导与SNSPD阵列14中的单元SNSPD一一对应，且SNSPD阵列14中的单元SNSPD对应的光敏面积大于光波导阵列21中的单元光波导对应的模场直径；固定组件3包括固定座31和紫外固化胶或低温胶，该紫外固化胶或低温胶用于将光波导阵列21与SNSPD阵列14固定，该固定座31的一端与光波导阵列21的侧表面连接，固定座31的另一端与金属底座11的上表面连接。其中，连接槽22可具体为V-groove，即V型连接槽，固定座31可具体为三角形夹紧零件。

具体地，上文中提及的光波导阵列21包括多模光纤阵列213和飞秒激光直写波导212，其中，多模光纤阵列213为二维面阵，多模光纤阵列213、连接槽22和飞秒激光直写波导212依次连接，并采用高精度的X、Y、Z、θ四维移动平台将依次连接的多模光纤阵列213、连接槽22和飞秒激光直写波导212与SNSPD阵列14连接，使得多模光纤阵列213中的单根光纤与飞秒激光直写波导212中的单元波导一一对应，且飞秒激光直写波导212中的单元波导与SNSPD阵列14中的单元SNSPD一一对应。

另一种可选的实施方式中，如图7、图8和图9所示，其中，图7为本申请实施例所提供的一种SNSPD阵列与光波导阵列的耦合装置的平面结构示意图，图8是图7所提供的SNSPD阵列与光波导阵列的耦合装置的立体结构示意图，图9是图8所提供的SNSPD阵列与光波导阵列的耦合装置的立体结构中耦合位置处的放大图。

不难得到，NSPD阵列与光波导阵列的耦合装置包括第一组件1、第二组件2和第三组件3，其中，第一组件自下而上依次包括金属底座11和SNSPD阵列芯片，该SNSPD阵列芯片自下而上依次包括硅衬底层12、DBR介质层13和氮化铌层，氮化铌层的上表面刻蚀有SNSPD阵列14；第二组件2包括光波导阵列21和连接槽22，该光波导阵列21中的单元光波导与SNSPD阵列14中的单元SNSPD一一对应，且SNSPD阵列14中的单元SNSPD对应的光敏面积大于光波导阵列21中的单元光波导对应的模场直径；固定组件3包括固定座31和紫外固化胶或低温胶，该紫外固化胶或低温胶用于将光波导阵列21与SNSPD阵列14固定，该固定座31的一端与光波导阵列21的侧表面连接，固定座31的另一端与金属底座11的上表面连接。其中，连接槽22可具体为V-groove，即V型连接槽，固定座31可具体为三角形夹紧零件。

具体地，上文中提及的光波导阵列21包括单模光纤阵列211，该单模光纤阵列211为一维线阵，单模光纤阵列211和连接槽22连接，并采用高精度的X、Y、Z、θ四维移动平台将连接的单模光纤阵列211和连接槽22与SNSPD阵列14连接，使得单模光纤阵列211中的单根光纤与SNSPD阵列14中的单元SNSPD一一对应。

采用本申请实施例所提供的SNSPD阵列与光波导阵列的耦合装置，该耦合装置包括金属底座、SNSPD阵列芯片，光波导阵列和固定座，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。基于本申请实施例，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，本申请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。

请参见图10，图10为本申请实施例所提供的一种SNSPD阵列芯片与金属底座的横截面结构示意图，即前文所述的第一组件，图中由下至上包括：金属底座11、硅衬底层12、DBR介质层13、以及上表面刻蚀有SNSPD阵列14的氮化铌层。

具体地，上文中所描述的金属底座11可以为金属封装盒，用于固定SNSPD阵列14。上文中所描述的硅衬底层12可具体为商用硅晶圆衬底，DBR介质层13用于增强器件的光学吸收效率，通常的DBR介质层13是由二氧化硅SiO₂和二氧化铌TiO₂双层介质交替沉积而成，上文中所描述的在氮化铌层可以利用磁控溅射技术制备，所述氮化铌层上的SNSPD阵列14，可以利用电子束曝光及显影技术在氮化铌层上表面刻蚀SNSPD阵列14，还可以是利用紫外光刻或反应离子刻蚀等技术在氮化铌层上表面刻蚀SNSPD阵列14。

请参见图11，图11为本申请实施例所提供的一种SNSPD阵列与与外部电路连接的立体装置示意图，图中包括：第一组件1、第二组件2和电路组件，其中，第一组件自下而上依次包括金属底座11、硅衬底层12、DBR介质层13和氮化铌层，氮化铌层的上表面刻蚀有SNSPD阵列14，第二组件2包括光波导阵列21和连接槽22，该光波导阵列21中的单元光波导与SNSPD阵列14中的单元SNSPD一一对应，电路组件4包括PCB电路板41、用于传输电信号的电接头43（例如SMP接头）和用于连接SNSPD阵列14、PCB电路板41和电接头43的电导线42，其中，该电路板41的一端与SNSPD阵列14通过铝线连接，PCB电路板41的另一端与SMP接头也通过铝线连接。

请参见图12，图12为本申请实施例所提供的一种SNSPD阵列与光波导阵列的耦合方法的流程示意图，该方法包括：

S1201：获取硅衬底层。

S1203：在硅衬底层上制备DBR介质层。

S1205：在DBR介质层上表面制备氮化铌层，以及在氮化铌层的上表面刻蚀出SNSPD阵列。

S1207：利用对准辅助装置将光波导阵列垂直对准SNSPD阵列进行耦合，使得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。

本申请实施例中，光波导阵列21包括光纤阵列，或者光纤阵列和飞秒激光直写波导212，其中，光纤阵列包括单模光纤阵列211和多模光纤阵列213。上述利用对准辅助装置将光波导阵列21垂直对准SNSPD阵列14进行耦合之前，该方法还包括将光纤阵列21与飞秒激光直写波导212进行耦合，使得光纤阵列21中的单根光纤与飞秒激光直写波导212中的单元波导一一对应，并利用紫外固化胶或低温胶将光纤阵列与飞秒激光直写波导固定连接。

本申请实施例中，上文中的所描述的对准装置可以是光学显微镜，还可以是X、Y、Z、θ四位移动平台，利用光学显微镜或者X、Y、Z、θ四位移动平台将飞秒激光直写波导中的单元波导精确对准SNSPD阵列中的单元SNSPD。需要说明的是，飞秒激光直写波导中相邻单元波导间的间距与SNSPD阵列中相邻的单元SNSPD间距在预设偏差值范围内，预设偏差值为±5微米。其中，波导阵列中波导的出射光束通道与光敏面位置具有一一对应关系，并且，波导阵列中波导的出射光束的位置和DBR介质层上的光敏面的位置均是可以进行精确控制的。

S1209：利用固定组件将光波导阵列固定在金属底座上。

采用本申请实施例所提供的SNSPD阵列与光波导阵列的耦合方法，通过将光波导阵列中的单元光波导与SNSPD阵列中的单元SNSPD一一垂直对准耦合，不仅可以减少互串干扰，实现多路光子的同时探测，还能够利用波导阵列中的波导对光子进行复杂的操纵，具有可拓展性规模、高集成率、低损耗的优势。

以上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。