劉海燕 周哲海

(北京信息科技大學(xué)機械工業(yè)現(xiàn)代光電測試技術(shù)重點實驗室,北京 100192)

0 引言

超導(dǎo)轉(zhuǎn)變邊沿傳感器(Superconductivity Transition Edge Sensors,TES)[1]是一種極靈敏的低溫超導(dǎo)熱平衡型探測器[2]?？梢蕴綔y從微波、亞毫米波一直到高能X射線、γ射線近乎全波段的光子。比如探測宇宙微波背景輻射極化信號[3-5]的TES輻射熱探測器；X射線材料精細能譜分析[6-7]的TES微量能器[8]；光學(xué)波段用于量子信息以及線性光學(xué)量子計算的單光子探測器[9-13]等。

光學(xué)波段的TES是一種極高量子效率[13-14]、極高能量分辨率[15]、且極低暗計數(shù)率[16-17]的單光子探測器[15]。與傳統(tǒng)的單光子探測器相比,TES具有更優(yōu)的探測靈敏度。加入光學(xué)結(jié)構(gòu)能夠有效提高TES的光學(xué)吸收效率。美國國家標準與技術(shù)研究院(NIST)的Rosenberg等[18]首先提出使用光學(xué)結(jié)構(gòu)來提高TES的光學(xué)吸收效率,達到了在1550nm使TES的光學(xué)吸收效率達到97%的效果；日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所(AIST)的DaijiFukuda等通過制備光學(xué)結(jié)構(gòu)使TES在830nm～870nm波段的總體吸收率超過99.5%。不同設(shè)計的光學(xué)結(jié)構(gòu)具有不同的光學(xué)吸收效率,研究介質(zhì)體系雙層膜與TES其基底之間不同位置對吸收率的影響對于實驗制備高吸收效率光學(xué)TES器件具有重要價值和指導(dǎo)意義。

本文通過TFCalc軟件對生長在雙面拋光的Si3N4硅片上的100nm Ti功能層的光學(xué)吸收效率進行仿真研究,分析正反方向并加入不同位置的雙介質(zhì)體系光學(xué)結(jié)構(gòu),最終得到不同雙介質(zhì)體系位置對光學(xué)Ti-TES吸收效率的仿真結(jié)果。

1 光學(xué)結(jié)構(gòu)的確定與光纖耦合方式

1.1 TES功能層的選擇

經(jīng)我們組研究表明,在Ti膜具有良好的超導(dǎo)特性,而且在100nm[19]時性能最好,通過研究濺射壓力、沉積薄膜時的功率、薄膜厚度對超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度的影響,得出在0.1Pa下,30nm、50nm、以及100nm的薄膜對應(yīng)的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為462mK、516mK及552mK,但是由于薄膜厚度的減少,使得Ti薄膜更難超導(dǎo),所以選用100nm的Ti膜,此時的超導(dǎo)Ti膜塊體的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度更為接近,具有良好的低溫特性。同時,當濺射壓力從0.1Pa升高至0.5Pa時,100nm的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度會由552mK降至495mK,這是因為Ti膜中的雜質(zhì)使得薄膜的電阻率和粗糙度升高,而當濺射壓力超過0.5Pa時,Ti(100nm)膜所對應(yīng)的粗糙度達到了6nm。良好形態(tài)的Ti膜將有利于提高TES的能量分辨率。所以選擇100nm厚度的Ti膜做功能層。

1.2 光學(xué)諧振腔的選擇

由于TES本身的吸收效率并不是很高,所以要利用光學(xué)諧振腔來提高總體的光學(xué)吸收效率。增加光學(xué)諧振腔后的TES吸收光子示意圖如圖1所示。光學(xué)諧振腔包括增透膜和增反膜,增透膜的作用是提高光子透過率,減少反射,光子被TES吸收后部分未被吸收的光子被增反膜反射回TES。

圖1 增加光學(xué)諧振腔后的TES吸收光子示意圖Fig.1 Photon absorption of TES after resonance cavity deposition

選用雙拋Si基片：Si3N4(500nm)-Si(400μm)-Si3N4(500nm)對吸收層Ti(100nm)進行制備(此時Si3N4為1550nm波長下對應(yīng)折射率n=2.2)。進行正反向光學(xué)結(jié)構(gòu)吸收效率的仿真確定。增加SiO2-SiNX(SiNX為實驗室測得1550nm下對應(yīng)的折射率n=1.9)與SiO2-Ta2O5體系可優(yōu)化雙層介質(zhì)驗證在不同位置上對光學(xué)結(jié)構(gòu)整體吸收效率的影響。

1.3 光纖與TES耦合方式

根據(jù)理論設(shè)計制備TES以及光學(xué)諧振腔時,理論結(jié)果與仿真結(jié)果通常會存在偏差。除了TES與光學(xué)諧振腔的制備是的儀器誤差,還主要涉及到TES與光纖的耦合方式,如圖2所示TES與光纖耦合的橫截面示意圖,是目前為止光纖耦合比較理想的方式。要使光纖和TES達到強耦合,需要使光纖的纖芯對準TES的中心。由于光纖對準時,光纖與TES之間會有間隙,已知光纖纖芯的折射率(n=1.44),紫外固化膠的折射率(n=1.56),兩者折射率匹配,所以在進行實驗時,會用紫外固化膠對縫隙處進行密封處理。假設(shè)光纖端面和器件表面之間的間隙Wwap=1μm,從光纖獲得99%光子通量所需的光斑尺寸估計為8μm,其中光纖(MFD 5μm和數(shù)值孔徑0.14),此時TES的敏感區(qū)域面積設(shè)置為10×10μm2,其中厚度為22nm,此時光纖準直誤差估計小于1μm,由于這種失調(diào)引起的耦合損耗便可以忽略不計。

圖2 光纖耦合截面圖Fig.2 Section view of fiber coupling

2 不同光學(xué)結(jié)構(gòu)下的仿真值

不同波長的光在光纖傳輸過程衰耗各不相同,經(jīng)物理實驗證明,光纖在1550nm為中心波長范圍內(nèi)的損耗較小,所以在實驗過程中選取以中心波長為1550nm,展寬為40nm的光進行仿真。

2.1 在Si基片上生長Ti吸收層的仿真

(1)從上至下光學(xué)膜層的結(jié)構(gòu)為Ti(100nm)-Si3N4(500nm)-Si(400μm)-Si3N4(500nm),即在光纖耦合時,光子從Ti功能層入射。此時雙拋Si基片相當于增反層,光學(xué)諧振腔無增透層。仿真結(jié)果如圖3所示。該結(jié)構(gòu)下的光學(xué)結(jié)構(gòu)的吸收率平均值為59.60%。

圖3 以Ti為基底,雙剖Si基片為增反膜仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results for film ofTi(100nm)-Si3N4(500nm)-Si(400μm)-Si3N4(500nm)

(2)從上至下光學(xué)膜層的結(jié)構(gòu)為Si3N4(500nm)-Si(400μm)-Si3N4(500nm)-Ti(100nm),即反向光纖入射耦合時的光學(xué)結(jié)構(gòu)整體吸收效率。此時雙拋Si基片為增透層,Ti為功能層,無增反層。該結(jié)構(gòu)下的光學(xué)結(jié)構(gòu)的平均吸收率為93.36%。

2.2 增加SiO2-SiNX體系仿真

(1)從上至下光學(xué)膜層的結(jié)構(gòu)為SiO2-SiNX-Si3N4(500nm)-Si(400μm)-Si3N4(500nm)-Ti(100nm),即在雙拋Si基片上增加SiO2-SiNX體系進行優(yōu)化仿真。此時Ti為功能層,SiO2-SiNX置于雙拋Si基片上為增透層,無增反層。仿真結(jié)果如圖4所示。該結(jié)構(gòu)下的光學(xué)結(jié)構(gòu)的吸收率平均值為99.46%。

圖4 以Ti為基底,SiO2-SiNX體系與雙拋Si基片為增透膜仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results for film of SiO2-SiNX-Si3N4(500 nm)-Si(400μm)-Si3N4(500nm)-Ti(100nm)

(2)從上至下光學(xué)膜層的結(jié)構(gòu)為Si3N4(500nm)-Si(400 μm)-Si3N4(500nm)-SiO2-SiNX-Ti(100nm),即在雙拋Si基片上先制備SiO2-SiNX體系再生長Ti。此時Ti為功能層,SiO2-SiNX體系置于雙拋Si基片與Ti吸收層之間為增透層,雙拋Si基片也為增透層,無增反層。進行,該結(jié)構(gòu)下的光學(xué)結(jié)構(gòu)的平均吸收率為93.36%。

(3)從上至下光學(xué)膜層的結(jié)構(gòu)為Si3N4(500nm)-Si(400 μm)-Si3N4(500nm)-Ti(100nm)-SiO2-SiNX,即在雙拋Si基片上先后生長Ti與SiO2-SiNX體系,此時Ti為功能層,雙拋Si基片為增透層,SiO2-SiNX體系為增反層。進行仿真,該結(jié)構(gòu)下的光學(xué)結(jié)構(gòu)的平均吸收率為93.36%。

將反向光纖耦合方式與不同位置增加SiO2-SiNX體系仿真結(jié)果總結(jié)如表1,表1中直觀可見,只有當SiO2-SiNX體系置于光學(xué)結(jié)構(gòu)最上層即靠近光源側(cè)時,總體結(jié)構(gòu)的吸收率才會提高。

表1 反向光纖耦合方式與不同位置增加SiO2-SiNX體系仿真結(jié)果Tab.1 Simulation results for backward fiber coupling and SiO2-SiNx with different position

為了驗證增加雙介質(zhì)體系位置對光學(xué)結(jié)構(gòu)吸收效率的影響,增加SiO2-Ta2O5體系仿真進行進一步驗證。

2.3 增加SiO2-Ta2O5體系仿真

(1)從上至下光學(xué)膜層的結(jié)構(gòu)為SiO2-Ta2O5-Si3N4(500nm)-Si(400μm)-Si3N4(500nm)-Ti(100nm),即在雙拋Si基片上增加SiO2-Ta2O5體系進行優(yōu)化仿真。此時Ti為功能層,SiO2-Ta2O5置于雙拋Si基片上為增透層,無增反層。仿真結(jié)果如圖5所示。該結(jié)構(gòu)下的光學(xué)結(jié)構(gòu)的吸收率平均值為99.22%。

圖5 以Ti為基底,SiO2-Ta2O5體系與雙拋Si基片為增透膜仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results for film of SiO2-Ta2O5-Si3N4(500nm)-Si(400μm)-Si3N4(500nm)-Ti(100 nm)

(2)從上至下光學(xué)膜層的結(jié)構(gòu)為Si3N4(500nm)-Si(400 μm)-Si3N4(500nm)-SiO2-Ta2O5-Ti(100nm),即在雙拋Si基片上先制備SiO2-Ta2O5體系再生長Ti。此時Ti為功能層,SiO2-Ta2O5體系置于雙拋Si基片與Ti吸收層之間為增透層,雙拋Si基片也為增透層,無增反層。仿真結(jié)果如圖6所示。該結(jié)構(gòu)下的光學(xué)結(jié)構(gòu)的平均吸收率為93.36%。

圖6 以Ti為基底,雙拋Si基片與SiO2-Ta2O5體系為增透膜仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results for film of Si3N4(500nm)-Si(400μ

(3)從上至下光學(xué)膜層的結(jié)構(gòu)為Si3N4(500nm)-Si(400 μm)-Si3N4(500nm)-Ti(100nm)-SiO2-Ta2O5,即在雙拋Si基片上先后生長Ti與SiO2-Ta2O5體系,此時Ti為功能層,雙拋Si基片為增透層,SiO2-Ta2O5體系為增反層。仿真結(jié)果如圖7所示。該結(jié)構(gòu)下的光學(xué)結(jié)構(gòu)的平均吸收率為93.36%。

圖7 以Ti為基底,雙拋Si基片為增透膜,SiO2-Ta2O5體系為增反膜仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results for film of Si3N4(500nm)-Si(400μm)-Si3N4(500nm)-Ti(100nm)-SiO2-Ta2O5

將反向光纖對準方式與不同位置增加SiO2-Ta2O5體系仿真結(jié)果總結(jié)如表2,表1中直觀可見,只有當SiO2-Ta2O5體系置于靠近光源側(cè)時,總體結(jié)構(gòu)的吸收率才會增加。

表2 反向光纖耦合方式與不同位置增加SiO2-Ta2O5體系仿真結(jié)果Tab.2 Simulation results for backward fiber coupling and SiO2-Ta2O5 with different position

3 結(jié)論

本文研究了在以超導(dǎo)Ti膜(100nm)為功能層時,在生長于雙面拋光型Si3N4的硅片上進行正反光纖耦合下的吸收率檢測。通過仿真,將雙拋Si基片置于增透層時比置于增反層時的整體光學(xué)吸收效率高。

在雙拋Si基片置于增透層的基礎(chǔ)上,增加SiO2-SiNX體系,并置于光學(xué)結(jié)構(gòu)的不同位置,仿真結(jié)果顯示,將SiO2-SiNX體系置于光學(xué)結(jié)構(gòu)最上層即靠近光源層時,能進一步提高光學(xué)結(jié)構(gòu)的吸收效率。另用SiO2-Ta2O5體系代替SiO2-SiNX體系進行不同結(jié)構(gòu)的仿真,驗證了這一結(jié)論。通過對雙介質(zhì)體系的引入以及不同位置的仿真,對光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了依據(jù)。

項目研究得到了北京長城學(xué)者支持計劃(CIT&TCD 20190323)、北京青年拔尖人才支持計劃(Z2019042)的支持,在此表示感謝。