ВОЛНОВОДНЫЙ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЙ ОДНОФОТОННЫЙ ДЕТЕКТОР С УЛУЧШЕННОЙ ТОПОЛОГИЕЙ

Полезная модель относится к устройствам регистрации ультра слабых потоков фотонов видимого и инфракрасного диапазона длин волн в системах интегральной квантовой оптики и нано- и радиофотоники с высоким временным разрешением.
Однофотонные детекторы
По результатам патентного поиска, проводимого по ключевым словам и рубрикам МПК по странам: США, Россия, Япония, Европейское Сообщество на Web-сайтах стран поиска и патентного фонда Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, найдены следующие патенты.
1. Патент US 6218657 (опубликован 17.04.2001, G01J 1/46): «Система для закрытого типа обнаружения оптических импульсов, содержащих небольшое число фотонов с помощью лавинных фотодиодов» предлагает использовать лавинный фотодиод в затворном режиме для обнаружения оптического импульса с малым числом фотонов.
Несмотря на то, лавинный фотодиод в затворном режиме способен различать слабые потоки фотонов, по принципиальным причинам он не может быть использован для регистрации фотонов на телекоммуникационной длине волы, а по технологическим причинам он не может быть интегрирован с оптическим волноводом на чипе и использован в приложениях интегральной оптики.
2. Патент US 7616904 В1 (опубликован 28.07.2011, G01J 1/36, G02B 6/10): «Волноводный фотодетектор со встроенной электроникой» предлагает использовать германиевый детектор внутри кремниевого волновода, расположенного на подложке кремний/изолятор (SOI). Фотодетектор генерирует электрический ток при прохождении инфракрасного излучения через фотодетектор.
Несмотря на то, что описанный детектор может быть интегрирован с оптическим волноводом на чипе, он не способен работать в однофотонном режиме и не может быть использован в системах интегральной квантовой оптики.
3. Патент WO 2014026724 А1 (опубликован 20.02.2014; G01J 1/36, G02B 6/10): «Спектрометр на чипе со сверхпроводниковыми однофотонными детекторами». Изобретение описывает интегрированное гибридное нанофотонно-сверхпроводниковое устройство, которое работает как спектрометр с однофотонным разрешением на пикосекундном временном масштабе. Устройство реализовано на одном чипе и может быть совмещено с оптическими волокнами через согласующие оптоволоконные порты.
Несмотря на то, что описанный спектрометр интегрирован с оптическим волноводом на чипе и способен работать в однофотонном режиме, его характеристики существенно ограничены из-за неоптимальной геометрии сверхпроводниковых детекторов и волноводной конфигурации.
4. Сверхбыстрый и сверхчувствительный гибридный сверхпроводниковый нановолноводный однофотонный детектор с низкой скоростью темнового счета RU2641621 (30.10.2015 г., H01L 31/02 - В82В 1/00).
Отличается тем, что расположен на том же волноводе, по которому распространяется свет, неоптимальной U-образной геометрией, которая ограничивает критический ток, а также тем, что покрыт сверху диэлектрическими слоями для уменьшения темновых отсчетов.
5. Наиболее близкий аналог описан в патенте US20140299751 А1 (09.10.2014, G02B 6/02, G01J 1/04, G02B 6/12): «Сверхпроводниковый однофотонный детектор» Изобретение описывает интегральное оптическое гибридное устройство, работающее как счетчик фотонов, распространяющихся внутри диэлектрического волновода.
Ближайший аналог включает в себя подложку из кремния и подслоем оксида кремния и волноводного слоя нитрида кремния. Вместо нитрида кремния могут быть использованы нитрид алюминия, нитрид галлия, сапфир, алмаз, кремний, фосфид галлия, оксид кремния и оксид магния. Активная область детектора представляет собой U-образный нанопровод на волноводе. Ширина нанопровода составляет около 100 нм, толщина - 4 нм. Наноструктура выполнена из нитрида ниобия или нитрид ниобия титана. Для снятия электрического сигнала к U-образному нанопроводу подводятся золотые контактные площадки.
Детектор работает при токе близкому к критическому току и температуре ниже критической температуры. В области поглощения фотона происходит локальное подавление сверхпроводимости и образуется «горячее пятно». Если в это время через полоску пропущен ток, близкий к критическому току, то происходит его перераспределение по оставшейся в сверхпроводящем состоянии части пленки. Если плотность критического тока начинает превышать пороговую величину (пороговый ток), то в нанопровод проникает вихрь или внутри пятна рождается пара вихрь-антивихрь. Под воздействием силы Лоренца вихри начинают движение и разогревают нанопровод. В результате все сечение полоски переходит в нормальное состояние, ток вытесняется в высокочастотную линию и фиксируется электроникой.
Для наблюдения однофотонного эффекта детектирования в видимом и инфракрасном диапазонах длин волн чувствительный элемент детектора представляет собой нанопровод из тонкой нитрид ниобиевой пленки. Толщина нанопровода должна быть порядка длины когерентности, а ширина полоски - меньше глубины проникновения магнитного поля. При указанном размере полоски, величина критического тока Ic составляет около 20 мкА при температуре 4,2 К. Величина транспортного тока в рабочей точке обычно выбирается 0,8-0,9 I c.
Основными недостатками ближайшего аналога, связанным с его U-образной геометрией является:
1. Небольшой диапазон рабочих токов. Плотность тока в местах заужений или поворотов нанопровода может увеличиваться на 20-30% по сравнению с прямыми участками, что приводит к более раннему срыву сверхпроводимости, а также работе основной части детектора вдали от критического тока [Clem J.R., Berggren K.K. Geometry-dependent critical currents in superconducting nanocircuits // Phys. Rev. В - Condens. Matter Mater. Phys. 2011. Vol. 84. no. 17. Pp. 1-27, 2011]. Как следствие
- уменьшается эффективности детектирования;
- ухудшается отношение сигнал/шум;
- ухудшается временное разрешение;
- ухудшается эквивалентная мощность шума.
2. Потери излучения в приконтактных областях. Для вывода электрических контактов, конфигурация волновода в приконтактных областях должна быть перпендикулярна к основному распространению света. Свет отводится от основного направления распространения в приконтактные области, рассеивается и поглощается вне рабочей области детектора, при этом
- уменьшается общая системная эффективность детектирования.
Вместе с тем, одновременное решение двух недостатков требует как изменения геометрии нанопровода, так и изменения волноводной конфигурации, по сравнению с ближайшим аналогом. Для решения указанных недостатков в представленной полезной модели предлагается использовать механизм туннелирования света из основного волновода в соседний [Хансперджер, Р. Интегральная оптика: Теория и технология. Пер. с англ. - М.: Мир, 1985, С. 136-149] вместе с изготовлением активной области детектора (сверхпроводниковой нанопроволоки) в виде длинной прямой полоски на дополнительном волноводе.
На фиг. 1. представлен волноводный интегрированный сверхпроводниковый однофотонный детектор с улучшенной топологией. Как и ближайший аналог, для устройства использована подложка кремния (1) с диэлектрическим слоем оксида кремния (2), в качестве волноводного слоя выбран нитрид кремния (3), (4). Для съема электрического сигнала служат контактные площадки (5). В отличие от ближайшего аналога, активная область детектора: сверхпроводниковый нанопровод из нитрида ниобия (NbN) толщиной 4 нм, выполнен не U-образной формы, а полностью прямой (6). В дополнение к этому изменена волноводная конфигурация (3), (4). Структура симметрична относительно оси А-А, поэтому свет может быть введен в любой порт (7), (8).
1
Для понимания принципа работы устройства, на фиг. 2 показан его вид сверху. Свет в волновод (4) может быть введен через любой порт (7) или (8). Для определенности на рисунке свет вводится в (7) и показан пунктирными стрелками. В тот момент, когда свет подходит достаточно близко к волноводу (3), расположенному на расстояние d, то за счет оптического туннелирования, начинает в него перетекать. Полностью весь свет из волновода (4) в волновод (3) переходит при длине волновода L. В процессе туннелирования, свет поглощается активной областью детектора, и на электрических контактных площадках (5) возникает импульс напряжения, соответствующий поглощению единичного фотона. Поперечный разрез структуры (А-А) показан на фиг. 3.
Для удобства на всех фигурах одинаковые цифры показывают одинаковые элементы.
Техническим результатом представленной полезной модели, позволяющим значительно повысить характеристики детектора, являются
1. Увеличение рабочего диапазона токов, которое приводит к
- увеличению эффективности детектирования;
- улучшения отношение сигнал/шум;
- улучшению временного разрешения;
- уменьшению эквивалентной мощности шума.
2. Исключение потерь излучения в приконтактных областях, что приводит к - увеличению системной эффективности детектирования.
2
1
Новым в разработанной топологии является то, что разработанный детектор помещается не на основном волноводе, по которому распространяется свет, а на дополнительном, на расстоянии d от основного. Активная область детектора является прямой нанопроволокой с контактной областью, вынесенной далеко от области взаимодействия (L>L).