偏振不敏感的分形超导纳米线单光子探测器

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1、偏振不敏感的分形超导纳米线单光子探测器Polarization-InsensitiveFractalSuperconductingNanowireSingle-PhotonDetectors学科专业：光学工程研究生：顾超指导教师：胡小龙教授天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一七年十月万方数据万方数据摘要超导纳米线单光子探测器(superconductingnanowiresingle-photondetectors,简称SNSPDs)探测效率高(90%)，时域抖动小(<15ps)，计数率高(>100Mcps)，这些优越性能使SNSPDs得到了广泛的关注和

2、应用。虽然SNSPDs性能优良，但是传统器件结构——回形纳米线——使得SNSPDs的探测效率偏振敏感，即：器件的探测效率与入射光子的偏振态有关。为了解决SNSPDs探测效率偏振敏感这个问题，本论文提出并实现了基于分形纳米线结构的SNSPDs，几乎完全消除了SNSPDs的偏振敏感性。具体而言：设计并加工了线宽为100nm、占空比为1:2、基于皮亚诺分形曲线的SNSPDs，光敏区为10m×10m，且集成了光学微腔。在基础温度为2.6K的Gifford-McMahon闭循环制冷机中，测得1550nm波长处的最大器件效率为41.7%，偏振敏感度(定义为偏振最大

3、器件效率与偏振最小器件效率的比值)为1.04。作为对比，在同一芯片上加工的相同占空比的回形纳米线单光子探测器的偏振敏感度测量值为1.74。除了几乎完全消除了探测效率的偏振敏感性，使得SNSPD对不同偏振态的光子的探测效率几乎是相同的，本论文提出并实现的分形SNSPDs相比于过去具有低偏振敏感度的SNSPDs还有如下额外的优点：(1)不仅对光纤中的基模偏振不敏感，对少模光纤中的高阶模式也偏振不敏感；(2)偏振不敏感性不依赖于光的入射空间模场与器件光敏区的高精度对准；(3)无论多晶超导材料（如NbN，NbTiN）还是非晶超导材料（如WSi）都可以用这种器件结构

4、实现偏振不敏感的SNSPDs。关键词：超导纳米线单光子探测器，分形，探测效率，偏振敏感度，微纳加工,超导电子器件I万方数据ABSTRACTSuperconductingnanowiresingle-photondetectors(SNSPDs)exhibithighdetectionefficiency(>90%),lowtimingjitter(<15ps),andhighcountingrate(>100MHz),whichmakeSNSPDsattractasignificantamountofresearchattentionandapplicat

5、ions.AlthoughSNSPDshaveexcellentperformances,thetraditionaldevicestructureinmeandersmakethedetectionefficiencypolarizationsensitive,i.e.,thedetectionefficiencydependsonthepolarizationstateoftheincidentphotons.Tosolvethisproblem,thepolarizationsensitivenessofSNSPDs,thisthesispropos

6、esanddemonstratesSNSPDsbasedonfractalnanowiresthatalmostcompletelyeliminatethepolarizationsensitiveness.Specifically,theauthordesignedandfabricatedtheSNSPDsbasedonPeanocurveswiththelinewidthof100nmandthefillfactorof1:2.Theactiveareawas10m×10mandthedeviceswereintegratedwithoptica

7、lmicro-cavities.TestedinaGifford-McMahonclosed-cyclecryocoolerwithabasetemperatureof2.6K,themaximumdeviceefficiencywas41.7%atthewavelengthof1550nmandthepolarizationsensitivity,definedastheratioofpolarization-maximumdeviceefficiencyoverpolarization-minimumdeviceefficiency,wasreduce

8、dto1.04.Asacomparison,thepolariza