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全光纤单光子探测器

2023-03-08   1874    

近来,南京大学吴培亨院士团队张蜡宝教授课题组和祝世宁院士团队谢臻达教授课题组联合提出了基于“埋入-平面工艺 (bury-and-planar-fabrication),在单模光纤端面制备出超导纳米线单光子探测器。超导薄膜对衬底有选择性,研究人员采用了高质量非晶超导薄膜MoSi,克服了超导薄膜在光纤端面的生长限制。超导纳米线在实现405nm-1550nm的宽谱响应,同时可以保持低暗计数(< 100 cps),低恢复时间(~ 15ns)。此外,研究人员探讨了优化光纤结构实现单光子探测器的高吸收率,展现了全光纤器件在单光子探测领域的巨大潜力。相关工作以“All-fiber device for single-photon detection”为题于202327日发表在 PhotoniX 上。论文通讯作者为南京大学电子科学与工程学院张蜡宝教授、谢臻达教授和贾琨鹏副研究员,戴越博士和贾琨鹏副研究员为共同第一作者,论文工作得到了吴培亨院士和祝世宁院士的悉心指导。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金前沿技术项目、广东省重点研发计划、量子科学与技术创新计划、合肥国家实验室、张江实验室、中央高校基础研究经费、江苏省高校优先学术项目发展、江苏省电磁波先进操纵技术重点实验室、江苏省研究生科研创新项目的资助。

光纤是光导纤维,是一种由玻璃或塑料制成的纤维,利用光在这些纤维中以全内反射原理传输的光传导工具。光纤是一种圆柱形的介质波导,利用全内反射原理来传导光线。由于光纤能够弯曲,不易断裂,损耗低,在量子通信领域中应用广泛。然而,光纤的端面截面积只有微米量级,在其上面直接制备纳米器件非常困难,在超导纳米线单光子探测中还没有发现相关的报道。

研究人员提出了在光纤端面直接集成超导纳米线单光子探测器,在405 nm1550 nm波段实现了宽谱响应。相较于传统的超导纳米线单光子探测设计,全光纤器件具有高集成度,避免了额外的光学界面,易于大批量制备等优点,方案对比如图1所示。


1 a)常规自由空间单光子探测示意图;(b)光纤到片上探测器的传统光栅耦合示意图;(c)全光纤器件示意图。白色是单光子探测器。

相较于多晶NbN薄膜有明显衬底选择性,非晶超导材料对结构缺陷更具有鲁棒性,对衬底有更强的适应性。研究团队在之前研究中制备出质量与国际前沿水平相当的非晶超导材料MoSi,对MoSi材料的生长有较深的实验分析与条件优化。因此,研究人员采用直流磁控溅射成长出高质量MoSi超导薄膜(Mo Si 的比例为41),如图2所示。


2 aTEM图;(b)光纤端面的光学显微镜图。

另外一方面,研究人员使用“埋入-平面式工艺在光纤端面进行超导薄膜的生长基础上制备超导纳米线。平面工艺可以突破全光纤器件大规模量产化的瓶颈,电子束曝光确保了纳米线的均匀性、可控性和可重复性。同时,光纤的热传导率极低,保证了低温环境的稳定性,器件制备步骤如下图3所示。


3 a)设计的全光纤器件示意图;(b)超大规模片上光纤的机械抛光。插图:片上光纤。(c)全光纤器件的制造过程。i.清洗;ii.磁控溅射;iii.光刻iv.金电极;v.旋涂和使用EBLvi.显影;vii.反应离子蚀刻;viii.去胶。

超大规模量子光子回路受连接损耗和传输损耗的困扰。对于需要外部激光器光的大规模量子光子回路,全光纤器件因其低成本和易于稳定制造而成为关键部件有利的竞争者。对于量子计算中对高带宽信息传输的需求,与功能块集成的高带宽单模光纤提供了一个全新的选择。此外,我们设想基于全光纤器件的量子光子回路具有独特的机制,即光纤上的量子光子回路。


文章来源于PhotoniX微信公众号。





本文由南京大学-介电体超晶格实验室(http://slab.nju.edu.cn)原创编辑,转发请注明来源及版权归属。
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