超导单光子探测器中光吸收结构的研究

发布时间：2017-10-17 03:08

  本文关键词：超导单光子探测器中光吸收结构的研究

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【摘要】：工作于近红外波段的超导纳米线单光子探测器(SNSPD)具有探测效率高、暗计数低、计数速率快等优点,可应用于量子通信和激光测距等领域。SNSPD因其纳米线的曲折线结构而具有极化敏感性,对电场极化方向平行于纳米线的入射光(TE波)吸收率高于对电场极化方向垂直于纳米线的入射光(TM波)吸收率。当我们需要利用这种极化敏感性时(如遥感成像的偏振测定和散射介质中的偏振成像),则需要增大TE波吸收率和TM波吸收率的比值PER；当我们要进行光的强度探测时,就要尽可能减弱极化敏感性。本论文围绕高效超导单光子探测器的极化敏感特性展开,分析了影响NbN纳米线TE和TM吸收率的因素,同时设计了两种不同的光吸收结构来提高探测器的极化敏感性和降低探测器的极化敏感性。主要成果如下：第一,我们把具有极化选择性的耦合反对称分裂环加载到SNSPD上,抑制器件对TM波的吸收,同时由于光学腔的作用,器件对TE波吸收高达85.5%,极化消光比PER为585。此外该器件纳米线宽度120nm,间隙480nm,占空比小,易于制备。通过详细地分析器件的工作原理和设计方法,我们给出优化器件性能的严密步骤,对于其他工作波长的器件有相当大的参考价值。第二,我们把高反射率的布拉格镜引入1550nm波段的SNSPD器件设计中,该器件的TE吸收率高达98%,但是TM吸收率低。为消除NbN纳米线本身的极化敏感性,我们在NbN纳米线上方覆盖一层Si膜(20nm),同时调节NbN纳米线下方的SiO2厚度(159nm),使得NbN纳米线对TE波的吸收率和TM波的吸收率同时达到95%。除了仿真结果外,我们也提供了部分实验数据,包括14对Nb2O5/SiO2的反射谱和粗糙度,以及在布拉格镜上生长6nm的NbN薄膜的方阻和临界温度等。第三,从电磁场理论和薄膜光学理论出发,推导出适用于SNSPD模型的多层膜传输矩阵,并给出反射率、透射率和吸收率的表达式。经过MATLAB编写程序,验证了基于布拉格镜的SNSPD和双面腔结构的SNSPD的吸收谱,该方法所需时间只有FDTD仿真软件的1/83。
【关键词】：超导单光子探测器 极化敏感性 耦合反对称分裂环 布拉格镜 传输矩阵法
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN15
【目录】：

• 中文摘要3-5
• Abstract5-8
• 第一章 绪论8-22
• 1.1 SNSPD的主要性能参数9-10
• 1.2 增大光吸收效率的方法10-17
• 1.3 耦合效率的提高17-18
• 1.4 SNSPD的应用18-19
• 1.5 本文的研究目的和论文框架19-22
• 第二章 利用耦合反对称SRR实现极化敏感单光子探测器22-31
• 2.1 原理介绍22-23
• 2.2 设计方法23-28
• 2.3 进一步优化28-29
• 2.4 容错度分析29
• 2.5 本章小结29-31
• 第三章 基于布拉格反射镜的极化非敏感单光子探测器31-43
• 3.1 FDTD仿真31-33
• 3.2 极化非敏感器件33-35
• 3.3 实验部分35-42
• 3.4 本章小结42-43
• 第四章 传输矩阵法分析TE波入射的超导单光子探测器43-55
• 4.1 传输矩阵法43
• 4.2 多层膜传输矩阵的求导43-46
• 4.3 NbN纳米线和Ag的折射率46-47
• 4.4 Matlab程序设计47-54
• 4.5 本章小结54-55
• 第五章 总结和展望55-57
• 参考文献57-63
• 硕士期间发表的学术论文和申请专利63-64
• 致谢64-65

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 He-Yu Yin;Han Cai;Ri-Sheng Cheng;Zheng Xu;Zhen-Nan Jiang;Jian-She Liu;Tie-Fu Li;Wei Chen;;Polarization independent superconducting nanowire detector with high-detection efficiency[J];Rare Metals;2015年02期

2 李铁夫;游建强;刘建设;李志坚;;Decoherence of qubits: results beyond Markovian approximation[J];Chinese Physics B;2009年02期

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本文编号：1046430