雙介質體系雙層膜位置對光學TES吸收率的影響

劉海燕 周哲海

(北京信息科技大學機械工業現代光電測試技術重點實驗室,北京 100192)

0 引言

超導轉變邊沿傳感器(Superconductivity Transition Edge Sensors,TES)[1]是一種極靈敏的低溫超導熱平衡型探測器[2]。可以探測從微波、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]；光學波段用于量子信息以及線性光學量子計算的單光子探測器[9-13]等。

光學波段的TES是一種極高量子效率[13-14]、極高能量分辨率[15]、且極低暗計數率[16-17]的單光子探測器[15]。與傳統的單光子探測器相比,TES具有更優的探測靈敏度。加入光學結構能夠有效提高TES的光學吸收效率。美國國家標準與技術研究院(NIST)的Rosenberg等[18]首先提出使用光學結構來提高TES的光學吸收效率,達到了在1550nm使TES的光學吸收效率達到97%的效果；日本產業技術綜合研究所(AIST)的DaijiFukuda等通過制備光學結構使TES在830nm～870nm波段的總體吸收率超過99.5%。不同設計的光學結構具有不同的光學吸收效率,研究介質體系雙層膜與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TES器件具有重要價值和指導意義。

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體系光學結構,最終得到不同雙介質體系位置對光學Ti-TES吸收效率的仿真結果。

1 光學結構的確定與光纖耦合方式

1.1 TES功能層的選擇

經我們組研究表明,在Ti膜具有良好的超導特性,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、薄膜厚度對超導轉變溫度的影響,得出在0.1Pa下,30nm、50nm、以及100nm的薄膜對應的超導轉變溫度為462mK、516mK及552mK,但是由于薄膜厚度的減少,使得Ti薄膜更難超導,所以選用100nm的Ti膜,此時的超導Ti膜塊體的超導轉變溫度更為接近,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的超導轉變溫度會由552mK降至495mK,這是因為Ti膜中的雜質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)膜所對應的粗糙度達到了6nm。良好形態的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,所以要利用光學諧振腔來提高總體的光學吸收效率。增加光學諧振腔后的TES吸收光子示意圖如圖1所示。光學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波長下對應折射率n=2.2)。進行正反向光學結構吸收效率的仿真確定。增加SiO2-SiNX(SiNX為實驗室測得1550nm下對應的折射率n=1.9)與SiO2-Ta2O5體系可優化雙層介質驗證在不同位置上對光學結構整體吸收效率的影響。

1.3 光纖與TES耦合方式

根據理論設計制備TES以及光學諧振腔時,理論結果與仿真結果通常會存在偏差。除了TES與光學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和數值孔徑0.14),此時TES的敏感區域面積設置為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 不同光學結構下的仿真值

不同波長的光在光纖傳輸過程衰耗各不相同,經物理實驗證明,光纖在1550nm為中心波長范圍內的損耗較小,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)從上至下光學膜層的結構為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,光學諧振腔無增透層。仿真結果如圖3所示。該結構下的光學結構的吸收率平均值為59.60%。

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

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

2.2 增加SiO2-SiNX體系仿真

(1)從上至下光學膜層的結構為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。仿真結果如圖4所示。該結構下的光學結構的吸收率平均值為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)從上至下光學膜層的結構為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,該結構下的光學結構的平均吸收率為93.36%。

(3)從上至下光學膜層的結構為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,該結構下的光學結構的平均吸收率為93.36%。

將反向光纖耦合方式與不同位置增加SiO2-SiNX體系仿真結果總結如表1,表1中直觀可見,只有當SiO2-SiNX體系置于光學結構最上層即靠近光源側時,總體結構的吸收率才會提高。

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

為了驗證增加雙介質體系位置對光學結構吸收效率的影響,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)從上至下光學膜層的結構為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。仿真結果如圖5所示。該結構下的光學結構的吸收率平均值為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)從上至下光學膜層的結構為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。仿真結果如圖6所示。該結構下的光學結構的平均吸收率為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果Fig.6 Simulation results for film of Si3N4(500nm)-Si(400μ

(3)從上至下光學膜層的結構為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。仿真結果如圖7所示。該結構下的光學結構的平均吸收率為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體系仿真結果總結如表2,表1中直觀可見,只有當SiO2-Ta2O5體系置于靠近光源側時,總體結構的吸收率才會增加。

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

3 結論

本文研究了在以超導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吸收效率高。

在雙拋Si基片置于增透層的基礎上,增加SiO2-SiNX體系,并置于光學結構的不同位置,仿真結果顯示,將SiO2-SiNX體系置于光學結構最上層即靠近光源層時,能進一步提高光學結構的吸收效率。另用SiO2-Ta2O5體系代替SiO2-SiNX體系進行不同結構的仿真,驗證了這一結論。通過對雙介質體系的引入以及不同位置的仿真,對光學諧振腔的結構設計提供了依據。

項目研究得到了北京長城學者支持計劃(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。