超导纳米线单光子探测器的偏振特性研究

论文摘要

在过去的十来年中,超导纳米线单光子探测器（SNSPD）经历了一个飞速的发展,其技术性能也提升到了一个新纪元。与其他类型的单光子探测器相比,SNSPD有着更为优越的性能:高探测效率、低暗计数、响应速度快以及极低的时间抖动等。这些优越的性能使其在量子保密通讯、量子光学计算、经典地-空长距离通讯、时间飞行深度成像等诸多领域,有着越来越广泛的应用。众所周知,SNSPD的器件吸收效率与入射光的偏振态有很强的相关性,这主要是因为SNSPD的核心组成是周期蜿蜒的纳米线结构,这种结构类似于一个一维光栅。因此,偏振敏感特性是SNSPD器件的本征特性,这一特点限制了它在很多特定领域的应用。本文主要研究了SNSPD的偏振特性,针对不同的应用场景设计制备并验证了多款偏振敏感和高偏振消光比的器件,主要研究成果如下:1.相比传统地通过改变SNSPD纳米线的图形对称性来获得偏振不敏感的效果,本文创新地在SNSPD器件结构的设计中,依据临界耦合的概念,提出了高介电常数补偿法,来改善SNSPD的偏振敏感性。通过在纳米线之间填充高介电常数的介质（例如非晶硅）,消除纳米线对不同偏振光的敏感特性,设计和制备了一款偏振不敏感的SNSPD器件结构。使器件对平行偏振和垂直偏振的入射光获得了同样的吸收效率。测量结果显示:在400 nm的波段范围内,SNSPD的偏振敏感性得到了很好的改善,对1550 nm波长光信号,器件对平行偏振入射光的最大检测效率为61%,对垂直偏振入射光的检测效率达到56%。2.依据偏振成像的应用前景,基于复合反射镜的理论,在上层光学腔中增加一个A1纳米光栅,与原本的金反射镜共同构成复合反射镜。利用这样的创新结构设计,在达到48%（1550nm）的系统检测效率的同时,实现了偏振消光比（PER）高达420的SNSPD的研制。偏振消光比是目前国际最高报道记录的20倍。3.在前两项研究的基础上,利用SNSPD的本征偏振敏感特性,提出了一个具有两层正交NbN纳米线的SNSPD三维结构。根据FDTD仿真结果显示,该三维器件结构,不仅具有高的光吸收特性和高的偏振消光比,同时还实现了对不同偏振态光子的分离检测。上层纳米线对平行偏振光吸收达到68.6%,偏振消光比超过8500,下层纳米线对垂直偏振光吸收达到74.6%,偏振消光比为29.8。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 徐睿莹

导师: 吴培亨

关键词: 超导纳米线单光子探测器,偏振,偏振消光比,数值仿真

来源: 南京大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,物理学,材料科学

单位: 南京大学

分类号: O436.3;O572.212;TB383.1

总页数: 133

文件大小: 17646K

下载量: 263

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