超导单光子探测器的波长响应及其机理研究

超导单光子探测器具有响应波段宽、暗计数低、探测速率快、量子效率高等特点，在工业技术、科学研究、公共安全和军事国防等领域具有重要的应用前景。超导单光子探测器的实验研究已取得突破性进展,但器件响应波长远低于理论值,其原因尚不明确。本项目拟研究超导单光子探测器的波长响应特性。通过设计并制备原型器件，实验分析超导单光子探测器的光谱响应曲线，研究超导单光子探测器器件几何结构对可见和红外光子探测效率的影响。引入辅助外场，设计并制备原型器件，研究磁场对器件能隙的调节作用,以及对器件电学特能和响应波长的影响。基于经典电磁场理论和BCS理论，分别从宏观和微观角度分析如上原型器件对光子的吸收、反射和透射特性，结合实验结论研究影响器件波长响应特性的物理因素。本项目对进一步深入了解超导单光子探测器的物理机制，设计和研制新探测器都有重要意义。

波长响应是超导单光子探测器(SSPD)基本的特性之一，也是研究器件工作机制的重要途径。本项目以实验研究为主，结合理论分析和数值模拟研究超导单光子探测器波长响应特性及其机制。通过优化薄膜生长和微纳米加工工艺，制备了常规超导单光子探测器和带谐振腔超导纳米线单光子探测器器件，基于搭建的器件效率分析表征平台，获得了不同偏置电流下器件的波长响应特性。实验表明，探测效率随偏置电流的增加呈S曲线趋势增加；纳米线超导临界电流和偏置电流对器件波长响应具有显著的影响；超导临界电流越小，器件长波长探测效率越高；偏置电流越小，器件探测效率降低。因此，我们提出，在单个探测周期内，入射光信号能量越大，器件超导能隙越小，超导单光子探测器的探测能力越强。基于上述结论，通过优化纳米线工艺，减小纳米线尺寸和超导临界电流，提高器件长波长响应能力，获得了具备2 m波段响应的超导单光子探测器。与此同时，我们发现在器件偏置电流较低时超导单光子探测器有多光子响应现象。