一种超导探测器
阅读说明：本技术 一种超导探测器 (Superconducting detector ) 是由 王钊 郭伟杰 于 2021-06-02 设计创作，主要内容包括：本申请实施例提供一种超导探测器,所述超导探测器包括：衬底,以及设置于所述衬底上的介质层；超导线结构,包括多层堆叠设置的超导线层,每层所述超导线层由一根超导线在同一平面内形成,相邻的两层所述超导线层交错排布,相邻的两层所述超导线层之间通过所述介质层隔开。本申请实现了提高光敏区有效面积,降低光纤对准难度。(An embodiment of the present application provides a superconducting probe, including: the dielectric layer is arranged on the substrate; the superconducting wire structure comprises a plurality of superconducting wire layers which are stacked, each superconducting wire layer is formed by one superconducting wire in the same plane, two adjacent superconducting wire layers are arranged in a staggered mode, and the two adjacent superconducting wire layers are separated through a dielectric layer. This application has realized improving photosensitive area effective area, reduces the optic fibre and aims at the degree of difficulty.)
技术领域
本申请涉及光探测
技术领域
，具体而言，涉及一种超导探测器。背景技术
近年来光量子信息技术迅速发展，信息的基本载体是不易受到干扰的单个光子，传统的雪崩二极管、光电倍增管等常规探测器已经不能满足人们对量子光学、精密测量等领域的应用需求，为了准确读出光子信息就需要工作在通信波段的超导单光子探测器，例如：超导转变边沿探测器(TES)、微波动态电感探测器(MKID)、超导纳米线单光子探测器(SNSPD)等。
在利用超导探测器进行探测时，需要将用于传导光子的光纤精确对准超导探测器光敏区的超导线，使光子尽可能落到超导线上，从而保证探测器的探测效率。超导探测器光敏区的面积通常很小，其中超导线的线宽一般从几十纳米到几微米不等，并且存在一定的占空比。
在现有技术中，针对超导探测器的对准较为常用的是NIST(National Instituteof Standards and Technology，美国国家标准与技术研究院)的“self-alignment(自对准)”技术，将放置探测器芯片的样品室圆孔尺寸和光纤套管内径保持一致，使光纤套管可以完美的卡到样品室中，这种方式极大的依赖于机械加工精度，对准难度及成本都较高，且对准精度很难达到纳米级别。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种超导探测器，用以实现提高光敏区有效面积，降低光纤对准难度。
本申请实施例第一方面提供了一种超导探测器，包括：衬底，以及设置于所述衬底上的介质层；超导线结构，包括多层堆叠设置的超导线层，每层所述超导线层由一根超导线在同一平面内形成，相邻的两层所述超导线层交错排布，相邻的两层所述超导线层之间通过所述介质层隔开。
于一实施例中，所述超导探测器包括多层所述介质层，所述超导探测器还包括：第一反射结构，所述第一反射结构包括第一反射层和第二反射层，所述第一反射层设置于最外层的所述介质层的外表面，所述第二反射层设置于所述衬底和所述超导线结构之间。
于一实施例中，所述超导探测器还包括：第二反射结构，设置于所述衬底和所述介质层之间。
于一实施例中，所述超导探测器还包括：电容区，设置于所述介质层的上表面，位于所述超导线结构的两侧。
于一实施例中，相邻的两层所述超导线层通过金属过孔并联或串联。
于一实施例中，所述介质层的材料为α硅、氧化硅、氮化硅、氟化镁、氧化钛中的一种。
于一实施例中，所述超导线结构的占空比可调，最高为100％。
于一实施例中，所述超导线的弯折形状为折线形或螺旋形。
于一实施例中，所述超导线为超导纳米线或超导微米线。
于一实施例中，每一层所述超导线层的单层厚度相等，所述超导线层的单层厚度随所述超导线的总长度的增大而减小，随所述超导线的线宽的增大而减小。
于一实施例中，每层所述超导线层由一根超导线在同一平面内弯折形成。
本申请可以实现被探测光的高效收集，可实现可调的探测效率，最高有效探测面积为100％。同时，降低了光纤对准难度和加工精度要求。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本申请一实施例的超导探测器的截面结构示意图；
图2为本申请一实施例的超导探测器的截面结构示意图；
图3为本申请一实施例的超导线层的结构示意图；
图4为本申请一实施例的超导探测器的截面结构示意图；
图5为本申请一实施例的超导探测器的截面结构示意图；
图6为本申请一实施例的超导探测器的截面结构示意图；
图7为本申请一实施例的超导线层的结构示意图；
图8为本申请一实施例的超导线层的结构示意图；
图9为本申请一实施例的超导线结构的示意图；
图10为本申请一实施例的超导线结构的示意图；
图11为本申请一实施例的超导线结构的示意图。
附图标记：
100-超导探测器，110-衬底，120-介质层、130-超导线结构，131-超导线层，140-电容区,150-第一反射结构，151-第一反射层，152-第二反射层，160-第二反射结构，161-第三反射层，162-第四反射层，170-增透膜。
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描述。
在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，并不表示排列序号，也不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请的描述中，术语“包括”、“包含”等表示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
在本申请的描述中，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本申请的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“内”、“外”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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请，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。
在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“配置为”应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
请参看图1，其为本申请一实施例的超导探测器100的截面结构示意图。超导探测器100包括：衬底110、介质层120和超导线结构130，介质层120设置于衬底110上，超导线结构130包括多层堆叠设置的超导线层131，图1中以两层超导线层131为例，每层超导线层131由一根超导线在同一平面内形成，相邻的两层超导线层131交错排布，相邻的两层超导线层131之间通过介质层120隔开。
介质层120对待测光子无吸收并且具有绝缘作用，于一实施例中，介质层120的材料为α硅(alpha-Si)、氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)、氟化镁(MgF)、氧化钛(TiO2)中的一种。
于一实施例中，每层超导线层可以由一根超导线在同一平面内弯折形成。每层超导线层也可以为一根直线状的超导线。
于一实施例中，衬底110的材料为硅或蓝宝石。
于一实施例中，超导线的材料可以为NbN、Al、TiN、NbTiN、PtSi等超导材料。
于一实施例中，相邻的两层超导线层131通过金属过孔连接。金属过孔可以实现相邻两层超导线层131之间的导电连通，也可以跨越多层超导线层131和介质层120，实现不相邻的超导线层131之间的导电连通。
于一实施例中，相邻的两层超导线层131之间可以相互并联，也可以相互串联。如图1所示，两层超导线层131相互并联，如图2所示，两层超导线层131相互串联。
于一实施例中，超导线层131中超导线的弯折形状为折线形或螺旋形，超导线为超导纳米线或超导微米线。
于一实施例中，超导线结构130的占空比可调，最高为100％。
于一实施例中，第一层超导线层131和第二层超导线层131中超导线的弯折形状可以均为折线形，线宽均匀的超导线等间距弯折，并且，超导线线宽与间距相等(如图3所示)，上下两层超导线层131交错排布，互相错开一个线宽的距离，即第一层超导线层131中的超导线对应于第二层超导线层131中的间隙区域，待测光子从上往下入射，从待测光子入射方向看，第一层超导线层131和第二层超导线层131互相填充间隙区域，实现了光敏区内超导线的100％覆盖。在光线对准时，只要保证光子聚焦在光敏区范围内即可，无需对准到单根超导线，超导线的线宽一般从几十纳米到几微米不等，光敏区尺寸一般为几十微米，对准的精度要求从单根超导线线宽降低到整个光敏区面积，极大的降低了光纤对准难度。
于一实施例中，可以通过调整不同超导线层131之间的错开距离，或不同层上超导线宽度，使多层超导线层131部分重叠或恰好交错互补，从而调整超导线结构130的占空比。
于一实施例中，每一层超导线层131的单层厚度相等，超导线层131的单层厚度随超导线的总长度的增大而减小，随超导线的线宽的增大而减小。
于一实施例中，超导线结构130的超导线总体积恒定，当超导线层131的层数增加时，每一层超导线层131的单层厚度减小。
于一实施例中，超导线可以是非等宽超导线，每一层超导线层131的单层厚度也可以不相等，若超导线层131的层数增加，则可以相应减小每一层超导线层131的单层厚度，以保持超导线结构130的超导线总体积恒定。
于一实施例中，超导线的长为20um，宽为2um，可根据实际情况调整超导线长度和宽度。
于一实施例中，超导探测器100还包括：电容区140，电容区140设置于介质层120的上表面，位于超导线结构130的两侧。
待测光子只有照射在超导线上才能实现光子的有效探测，目前使用较多的光敏区超导线设计存在一定的占空比，这要求待测光子准确的聚焦在超导线的线宽范围内，而超导线的线宽很窄，在低温下要实现较大规模的精确对准难度极高，本申请通过交错排布的超导线层131，在有限的光敏区内实现了最高可达100％的超导线占空比，提高了光敏区内的有效面积，从而降低了光纤对准的难度。
如图4所示，其为本申请一实施例的超导探测器100的截面结构示意图。超导探测器100包括：衬底110、多层介质层120、超导线结构130和第一反射结构150，超导线结构130包括多层堆叠设置的超导线层131，图4中以三层超导线层131为例，每层超导线层131由一根超导线在同一平面内弯折形成，相邻的两层超导线层131交错排布，相邻的两层超导线层131之间通过介质层120隔开。
第一反射结构150包括第一反射层151和第二反射层152，第一反射层151设置于最外层的介质层120的外表面，第二反射层152设置于衬底110和超导线结构130之间。
于一实施例中，第一反射层151可以为Au、Ag、Al中的一种，第二反射层152可以为氧化硅或氮化硅或alpha硅、氟化镁、氧化钛。第一反射层151和第二反射层152可以形成FP(Fabry–Pérot，法布里-珀罗)谐振腔，进一步提高光子的探测效率。
于一实施例中，超导探测器还包括增透膜170，增透膜170设置于衬底110背向超导线结构130的表面，待测光子从下往上入射，在射入衬底110之前先经过增透膜170。于一实施例中，增透膜170可以为氧化硅或氮化硅或alpha硅、氟化镁、氧化钛。
如图5所示，其为本申请一实施例的超导探测器100的截面结构示意图。超导探测器100包括：衬底110、多层介质层120、超导线结构130和第二反射结构160，超导线结构130包括多层堆叠设置的超导线层131，图4中以三层超导线层131为例，每层超导线层131由一根超导线在同一平面内弯折形成，相邻的两层超导线层131交错排布，相邻的两层超导线层131之间通过介质层120隔开。第二反射结构160，设置于衬底110和介质层120之间。
于一实施例中，第二反射结构160为Au、Ag、Al中的一种，待测光子从上往下入射。
如图6所示，其为本申请一实施例的超导探测器100的截面结构示意图。超导探测器100包括：衬底110、多层介质层120、超导线结构130和第二反射结构160，超导线结构130包括多层堆叠设置的超导线层131，图4中以三层超导线层131为例，每层超导线层131由一根超导线在同一平面内弯折形成，相邻的两层超导线层131交错排布，相邻的两层超导线层131之间通过介质层120隔开。第二反射结构160，设置于衬底110和介质层120之间。
于一实施例中，第二反射结构160为DBR(Distributed Bragg Reflector，分布式布拉格反射镜)，待测光子从上往下入射。第二反射结构160包括第三反射层161和第四反射层162，多层第三反射层161和多层第四反射层162交替堆叠，第三反射层161可以为氧化硅或氮化硅或alpha硅、氟化镁、氧化钛，第四反射层162可以为Ta2O5。
如图7所示，其为本申请一实施例的超导线层131的结构示意图，超导线层131中超导线的弯折形状为方形螺旋。如图8所示，其为本申请另一实施例的超导线层131的结构示意图，超导线层131中超导线的弯折形状为圆形螺旋。
如图9所示，其为本申请一实施例的超导线结构130的示意图，超导线结构130包括两层超导线层131，两层超导线层131由下而上依次间隔堆叠设置，两层超导线层131为同向的圆形螺旋结构，两层超导线层131的中心通过金属过孔进行电气连接。两层超导线层131的螺旋密度不同，互相交错排布，第一层超导线层131中的超导线对应于第二层超导线层131中的间隙区域。
如图10所示，其为本申请一实施例的超导线结构130的示意图，超导线结构130包括两层超导线层131，两层超导线层131由下而上依次间隔堆叠设置，两层超导线层131为反向的圆形螺旋结构，两层超导线层131交错排布，两层超导线层131的中心通过金属过孔进行电气连接。
如图11所示，其为本申请一实施例的超导线结构130的示意图，超导线结构130包括三层超导线层131，三层超导线层131由下而上依次间隔堆叠设置，第一层超导线层131和第三层超导线层131为同向的圆形螺旋结构，第一层超导线层131和第三层超导线层131的螺旋密度不同、螺旋方向相同，互相交错排布，第一层超导线层131中的超导线对应于第三层超导线层131中的间隙区域。第二层超导线层131的一侧端子连接第一层超导线层131的外侧端子，第二层超导线层131的另一侧端子连接第三层超导线层131的中心，电流可以在第一层超导线层131和第三层超导线层131内同向流动。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。以上仅为本申请的优选实施例而已，仅用于说明本申请的技术方案，并不用于限制本申请。对于本技术领域的普通技术人员而言，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。
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