高温超导纳米线单光子探测器的光吸收率优化及电响应建模

作     者：范欣雨 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵雨辰;刘智超

授予年度：2024年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：SNSPD 高温超导材料 光吸收率优化 电响应建模 

摘      要：超导纳米线单光子探测器(Superconducting Nanowire Single Photon Detector,SNSPD)是一种用于探测单光子的超导器件,系统探测效率是其主要性能指标之一。经过多年的发展,SNSPD在近红外波段的系统探测效率取得了显著的提升,但对于中红外甚至波长更长的波段,现阶段其系统探测效率仍有待进一步提高,而器件的高光吸收率结构设计则是提高系统探测效率的重要一环。同时,相较于目前广泛采用的工作在液氦温度下的低温超导材料,使用高温超导材料的SNSPD可在液氮温度下正常工作,从而显著降低制冷成本。此外,在SNSPD的电响应仿真方面,基于电热模型的仿真方式无法与常用的电路设计方法兼容,因此难以满足SNSPD及其阵列的外部电路设计需要。 针对该领域的上述研究现状与趋势,本文一方面对于使用高温超导材料的SNSPD进行高光吸收率器件结构设计,另一方面也尝试对SNSPD电响应进行建模。具体的研究工作如下: 1.高光吸收率器件结构设计。建立了加载集成光学腔的背面对光SNSPD器件模型,通过引入具有全反射镜的光学腔,有效避免了大量的入射光能量透射出器件,同时又利用入射光与反射镜所产生的反射光之间的同相叠加,提高了纳米线区域的光场强度,从而显著提高了器件的光吸收率。进而,使用等效媒质模型将具有周期性的纳米线层等效为相同厚度的均匀媒质层,并基于传输矩阵法(Transfer Matrix Method,TMM)对该器件模型的光响应进行建模。最后,采用文献中可获得的高温超导材料光学参数,通过人工调节不同介质层的厚度,设计了在近红外1092nm处吸收峰值为89.07%的Tl2Ba2CaCu2O8(Tl-2212)材料SNSPD器件结构,以及在中红外4016nm处吸收峰值达72.79%的YBa2Cu3O6(YBCO)材料SNSPD器件结构,并分析了结构参数对上述器件光吸收率的影响。 2.基于粒子群优化(Particle Swarm Optimization,PSO)的高光吸收率器件结构优化。鉴于人工调节过程的低效性,进一步利用PSO对使用高温超导材料的SNSPD在近红外与中红外波段进行单一波长及宽带高光吸收率器件结构的优化设计。针对不同纳米线厚度的优化算例,均通过在解空间中的寻优来确定每层介质的最佳厚度从而得到期望的光吸收率。所得结果显示:Tl-2212材料SNSPD在纳米线厚度为30nm时可得到较好的近红外光吸收效果,针对1550nm单一波长的设计可实现99.7%的高光吸收率,而宽带的设计在1674-1750nm波长范围内光吸收率均在80%以上且在1712nm波长处最高可达94.27%;YBCO材料SNSPD同样在纳米线厚度为30nm时可得到较好的光吸收效果,单一波长设计的光吸收率可达99.9%,而宽带设计的光吸收率在3800-4940nm波长范围内均超过了80%且在4300nm波长处可达95.4%。与时域有限差分法(Finite DifferenceTime Domain,FDTD)仿真结果的良好吻合验证了上述设计的正确性。 ***电响应的等效电路模型。通过分析纳米线中热点的产生与湮灭过程,首先在 SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)中通过内置编程语言自定义了SNSPD的器件模型,然后搭建外电路模拟光子到达事件,从而实现了 SNSPD电响应的等效建模。该等效电路模型能够正确模拟纳米线在超导态、热点态与正常电阻态之间的转化过程,所得I-V特性曲线与实际较为相符。