СВЕРХБЫСТРЫЙ И СВЕРХЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ГИБРИДНЫЙ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЙ НАНОВОЛНОВОДНЫЙ ОДНОФОТОННЫЙ ДЕТЕКТОР С НИЗКОЙ СКОРОСТЬЮ ТЕМНОВОГО СЧЁТА Российский патент 2018 года по МПК H01L31/02 B82B1/00 

Изобретение относится к устройствам для регистрации одиночных фотонов видимого и инфракрасного диапазонов и может быть использовано в системах оптической волоконной связи на больших расстояниях, в телекоммуникационных технологиях, в системах интегральной оптики и нанофотоники, в системах защиты передаваемой информации с помощью систем квантовой криптографии, в диагностике и тестировании больших интегральных схем (БИС) в электронике, в спектроскопии одиночных молекул, в анализе излучения квантовых точек в полупроводниковых наноструктурах, в астрономии, медицине, в разработке квантовых компьютеров и в IT-сфере оптических процессоров.

Патентный поиск проводился по ключевым словам и рубрикам МПК по странам: США, Россия, Япония, Европейское Сообщество. При проведении патентного поиска использовались Web-сайты стран поиска и патентный фонд Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.

Из открытых источников был найден Патент US 6218657 (опубликован 17.04.2001, G01J 1/46), который предлагает использовать лавинный фотодиод в затворном режиме для обнаружения оптического пульса, содержащего небольшое количество фотонов, как часть квантово-криптографической системы.

Параметры полупроводниковых лавинных фотодиодов не позволяют достичь предельно низких значений ошибок квантово-криптографических систем в отличие от предлагаемых систем на основе сверхпроводниковых однофотонных детекторов SSPD.

Патент US 7616904 В1 (опубликован 28.07.2011, G01J 1/36, G02B 6/10). Германий в кремниевом волноводе, расположенном на кремний/изолятор подложке. Фотодетектор встроен в кремний планарного волновода на подложке. Фотодетектор генерирует электрический ток при прохождении инфракрасного излучения сигнала через фотодетектор.

Реализация подобной схемы сопряжена с принципиальными технологическими трудностями, не позволяющими достичь приемлемых показателей по квантовой эффективности, быстродействию и скорости темнового счета.

Патент WO 2014026724 А1 (опубликован 20.02.2014; G01J 1/36, G02B 6/10) - спектрометр с однофотонным сверхпроводниковым детектором на одном чипе. Изобретение описывает интегрированное гибрид нанофотонно-сверхпроводникового устройства, которое работает как сканирующий спектрометр с однофотонным разрешением и пикосекундным временным разрешением. Устройство реализовано на одном чипе и оптически соединено с помощью оптических волокон, таким образом совместимо с системой оптического изображения через согласующие оптоволоконные порты.

Наиболее близкий аналог описан в патенте US 20140299751 А1 (09.10.2014, G02B 6/02, G01J 1/04, G02B 6/12) - однофотонный сверхпроводниковый детектор на диэлектрическом волноводе. Изобретение описывает интегрированное гибрид нанофотонно-сверхпроводникового устройства, которое работает как счетчик одиночных фотонов телекоммуникационной длины волны, распространяющихся внутри диэлектрического волновода.

Ближайший аналог изобретения включает в себя подложку из кремния с подслоем SiO₂, нановолновод Si₃N₄ (см. фиг. 1). Два нанопровода расположены параллельно друг другу вдоль нановолновода прямо на нем. Нанопровод представляет собой фоточувствительную полоску шириной 100 нм, изготовленную из сверхпроводниковой пленки NbN толщиной 4 нм. Для снятия сигнала к нанопроводам подводятся золотые контактные площадки (см. фиг. 2).

В рабочем режиме детектор имеет температуру ниже температуры сверхпроводящего перехода (например, температура жидкого гелия 4,2 K).

При поглощении сверхпроводником фотона происходит разрушение куперовской пары. Сверхпроводимость на короткое время подавляется в малой по сравнению с шириной части полоски, и образуется «горячее пятно». В этой области появляется сопротивление, величина которого соответствует сопротивлению пленки, из которой выполнена полоска, в нормальном состоянии. Если в это время через полоску пропущен ток, близкий к критическому току распаривания, то происходит его перераспределение по оставшейся в сверхпроводящем состоянии части пленки, и величина плотности тока в сверхпроводящей области начинает превышать критическую. В результате все сечение полоски переходит в нормальное состояние, и в детекторе появляется электрическое сопротивление, которое сопровождается импульсом напряжения.

Так же, как в ближайшем аналоге, для получения высокой чувствительности в видимом и инфракрасном диапазонах волн чувствительный элемент представляет собой полоску из тонкой пленки сверхпроводника NbN, идущего вдоль нановолновода туда и обратно. Толщина пленки полоски выполнена 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 составляет 0.8-0.9 от Ic.

Основным недостатком ближайшего аналога изобретения является то, что, благодаря используемой в изобретении топологии, детектор обладает высокой скоростью темнового счета. Высокая скорость темнового счета появляется в результате следующего:

1. Собственные шумы детектора - ложные срабатывания, которые объясняются самим принципом работы детектора.

2. Внутренние шумы электронной аппаратуры.

3. Темновые срабатывания могут происходить из-за фонового излучения от нагретых внутренних частей криогенного резервуара, попадающего непосредственно на детектор, минуя нановолновод.

Основной вклад в скорость темнового счета вносит фоновое излучение, поэтому решаемой задачей изобретения является защита чувствительной части сверхпроводникового однофотонного детектора от фонового излучения нагретых внутренних частей криогенного резервуара.

Техническим результатом является:

- уменьшение темновых (ложных) срабатываний сверхпроводникового однофотонного волноводного детектора;

- увеличение чувствительности сверхпроводникового однофотонного волноводного детектора.

Новым в разработанном способе является то, что для уменьшения темновых срабатываний используется защитное диэлектрико-металлическое покрытие (фиг. 3) сверхпроводникового однофотонного волноводного детектора. В качестве основных материалов диэлектрико-металлическое покрытие использует диэлектрик SiO₂ и металл Al.

Использование: для изготовления высокочувствительных приемников одиночных фотонов видимого и инфракрасного диапазонов. Сущность изобретения заключается в том, что сверхбыстрый и сверхчувствительный гибридный сверхпроводниковый нановолноводный однофотонный детектор с низкой скоростью темнового счета включает в себя чувствительный нанопровод из сверхпроводниковой пленки NbN, расположенный на нановолноводе Si₃N₄, и защитное диэлектрико-металлическое покрытие, состоящее из слоя диэлектрика SiO₂ и слоя металла Al, нанесенного поверх нанопровода. Технический результат: обеспечение возможности уменьшения ложных срабатываний сверхпроводникового однофотонного волноводного детектора и увеличения чувствительности сверхпроводникового однофотонного волноводного детектора. 3 ил.

Сверхбыстрый и сверхчувствительный гибридный сверхпроводниковый нановолноводный однофотонный детектор с низкой скоростью темнового счета, включающий в себя чувствительный нанопровод из сверхпроводниковой пленки NbN, расположенный на нановолноводе Si₃N₄, и защитное диэлектрико-металлическое покрытие, состоящее из слоя диэлектрика SiO₂ и слоя металла Al, нанесенного поверх нанопровода.