微纳光纤-波导-超导纳米线单光子探测器及制备方法

摘要

本发明提供一种微纳光纤‑波导‑超导纳米线单光子探测器及制备方法；固定于V型槽的微纳光纤可以和波导实现高精度的光耦合对准，并使微纳光纤由粗变细的过渡段悬空，防止光向衬底的泄露，进而减少光传输过程的损耗；波导型超导纳米线结构可以在片上实现对光的完全吸收；弯角波导设计可使微纳光纤‑波导的光耦合区域和波导型超导纳米线结构的光探测区域完全分离开，可有效减少沿光纤传播的背景辐射导致的暗计数，降低背景暗计数对光探测的影响；本发明可实现一个集高探测效率、高计数率、低时间抖动以及低暗计数为一体的单光子探测器，有望在光量子信息处理、量子光学等领域发挥作用。

权利要求

1.一种微纳光纤‑波导‑超导纳米线单光子探测器，所述单光子探测器包括衬底，所述衬底中具有凹槽，其特征在于，所述单光子探测器还包括：波导，所述波导位于所述衬底中，所述波导包括依次相连接的第一波导、弯角波导及第二波导；

超导纳米线，所述超导纳米线位于所述第二波导上，且所述超导纳米线与所述第二波导构成波导型超导纳米线结构；

微纳光纤，所述微纳光纤固定于所述凹槽中，所述微纳光纤包括拉锥端，且所述微纳光纤通过所述拉锥端与所述第一波导通过贴合进行光耦合。

2.根据权利要求1所述的单光子探测器，其特征在于：所述弯角波导的弯角取值为15°～165°。

3.根据权利要求1所述的单光子探测器，其特征在于：所述凹槽包括V型槽，所述V型槽的对称轴线和所述第一波导的中心线重合；所述波导包括脊型波导或条形波导；所述波导包括SOI波导、SiN波导、GaS波导、AlN波导、LiNbO3波导或者Diamond波导中的一种。

4.根据权利要求1所述的单光子探测器，其特征在于：所述超导纳米线的厚度为1nm～

15nm，所述超导纳米线的长度为1μm～500μm。

5.根据权利要求1所述的单光子探测器，其特征在于：所述超导纳米线包括NbN超导纳米线、Nb超导纳米线、TaN超导纳米线、MoSi超导纳米线、MoGe超导纳米线、NbTiN超导纳米线或WSi超导纳米线中的一种。

6.一种微纳光纤‑波导‑超导纳米线单光子探测器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：提供衬底；

图形化所述衬底，在所述衬底中形成凹槽及波导，所述波导包括依次相连接的第一波导、弯角波导及第二波导；

形成超导纳米线，所述超导纳米线位于所述第二波导上，且所述超导纳米线与所述第二波导构成波导型超导纳米线结构；

提供微纳光纤，并将所述微纳光纤固定于所述凹槽中，所述微纳光纤包括拉锥端，且所述微纳光纤通过所述拉锥端与所述第一波导通过贴合进行光耦合。

7.根据权利要求6所述的单光子探测器的制备方法，其特征在于：形成的所述弯角波导的弯角取值为15°～165°。

8.根据权利要求6所述的单光子探测器的制备方法，其特征在于：形成所述凹槽的方法包括机械切割法或光刻法；形成的所述凹槽包括V型槽，所述V型槽的对称轴和所述第一波导的中心线重合；形成的所述波导包括脊型波导或条形波导。

9.根据权利要求6所述的单光子探测器的制备方法，其特征在于：在将所述微纳光纤固定于所述凹槽中时，还包括采用折射率相匹配的紫外固化胶对所述拉锥端及第一波导进行固定的步骤。

10.根据权利要求6所述的单光子探测器的制备方法，其特征在于：形成的所述超导纳米线包括NbN超导纳米线、Nb超导纳米线、TaN超导纳米线、MoSi超导纳米线、MoGe超导纳米线、NbTiN超导纳米线或WSi超导纳米线中的一种。

说明书

微纳光纤‑波导‑超导纳米线单光子探测器及制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于光电探测技术领域，涉及一种微纳光纤‑波导‑超导纳米线单光子探测器及制备方法。

背景技术

[0002] 超导单光子探测器(Superconducting Single Photon Detector，SSPD)是近年来备受关注的单光子探测技术，系统效率可达90％以上，其相对于常规的半导体探测器具备极低的暗计数、低时间抖动以及高计数率等优势，同时其频谱响应较宽，覆盖范围包括可见光波段至红外波段。高性能的SSPD器件已经在量子密钥分发、光量子计算、深空探测等众多领域得到了广泛的应用。但是，SSPD的各种性能指标是相互制约的，比如暗计数、探测速度、探测效率、时间抖动等，目前的技术尚无法实现将各种高性能指标集合在同一个器件上。

[0003] 因此，如何保证高效率的同时，实现低暗计数、高速和低时间抖动的单光子探测是当今的热门研究课题。

发明内容

[0004] 鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种微纳光纤‑波导‑超导纳米线单光子探测器及制备方法，用于解决现有技术中难以将单光子探测器的各种高性能指标同时实现最优化的问题。

[0005] 我们方法的核心在于通过使用新的光耦合方式和具有更短线长的波导型SSPD来解决器件指标之间的制约。具体的，不同于现有主流的光纤垂直入射到SNSPD光敏面的方法(由于垂直入射，光与薄膜的作用距离短，该方法需要使用光学腔来增强光的吸收效率)，本发明无需使用光学腔进行增强吸收，因为纳米线可以利用倏逝场耦合实现沿波导传播光的有效吸收，当作用距离足够长时，吸收效率可以接近于100％。并且，不同于现有的微纳光纤直接贴合蜿蜒曲折的纳米线的方法(该方法需要使用特殊的MgF2衬底来防止光泄露、并且2
需要大光敏面的纳米线(～100×6μm)来实现有效耦合)，本发明使用光波导将光场约束在
2
一个更小的范围内(～40×0.2μm)，有效的减小了探测器的光敏面积(减小了～75倍)。

[0006] 本发明所述单光子探测器包括：

[0007] 衬底，所述衬底中具有凹槽；

[0008] 波导，所述波导包括依次相连接的第一波导、弯角波导及第二波导；

[0009] 超导纳米线，所述超导纳米线位于所述第二波导上，且所述超导纳米线与所述第二波导构成波导型超导纳米线结构；

[0010] 微纳光纤，所述微纳光纤固定于所述凹槽中，所述微纳光纤包括拉锥端，且所述微纳光纤通过所述拉锥端与所述第一波导通过贴合进行光耦合。

[0011] 可选地，所述弯角波导的弯角取值为15°～165°。

[0012] 可选地，所述凹槽包括V型槽，所述V型槽的对称轴线和所述第一波导的中心线重合；所述波导包括脊型波导或条形波导。

[0013] 可选地，所述波导包括SOI波导、SiN波导、GaS波导、AlN波导、LiNbO3波导或者Diamond波导中的一种。

[0014] 可选地，所述超导纳米线的厚度为1nm～15nm，所述超导纳米线的长度为1μm～500μm。

[0015] 可选地，所述超导纳米线包括NbN超导纳米线、Nb超导纳米线、TaN超导纳米线、MoSi超导纳米线、MoGe超导纳米线、NbTiN超导纳米线或WSi超导纳米线中的一种。

[0016] 本发明还提供一种微纳光纤‑波导‑超导纳米线单光子探测器的制备方法，包括以下步骤：

[0017] 提供衬底；

[0018] 图形化所述衬底，在所述衬底中形成凹槽及波导，所述波导包括依次相连接的第一波导、弯角波导及第二波导；

[0019] 形成超导纳米线，所述超导纳米线位于所述第二波导上，且所述超导纳米线与所述第二波导构成波导型超导纳米线结构；

[0020] 提供微纳光纤，并将所述微纳光纤固定于所述凹槽中，所述微纳光纤包括拉锥端，且所述微纳光纤通过所述拉锥端与所述第一波导通过贴合进行光耦合。

[0021] 可选地，形成的所述弯角波导的弯角取值为15°～165°。

[0022] 可选地，形成所述凹槽的方法包括机械切割法或光刻法；形成的所述凹槽包括V型槽，所述V型槽的对称轴和所述第一波导的中心线重合；形成的所述波导包括脊型波导或条形波导。

[0023] 可选地，在将所述微纳光纤固定于所述凹槽中时，还包括采用折射率相匹配的紫外固化胶对所述拉锥端及第一波导进行固定的步骤。

[0024] 可选地，形成的所述超导纳米线包括NbN超导纳米线、Nb超导纳米线、TaN超导纳米线、MoSi超导纳米线、MoGe超导纳米线、NbTiN超导纳米线或WSi超导纳米线中的一种。

[0025] 如上所述，本发明的微纳光纤‑波导‑超导纳米线单光子探测器及制备方法，具有以下有益效果：

[0026] (1)采用波导型超导纳米线结构，使波导与超导纳米线之间进行倏逝场耦合，以在片上实现对光的完全吸收；

[0027] (2)固定于凹槽中的微纳光纤的倏逝场可以和波导实现良好的光耦合，进而可实现高效率的光吸收；

[0028] (3)采用V型槽可对微纳光纤与波导进行高精度的耦合对准，并且该结构可以使微纳光纤由粗变细的过渡段悬空，防止光向衬底的泄露，提高光传输效率；

[0029] (4)采用弯角波导尤其是弯角为90°的L弯角波导，使得微纳光纤与波导的光耦合和波导型超导纳米线结构的光探测完全分离开，可有效减少沿光纤传播的背景辐射导致的暗计数，降低背景暗计数对光探测的影响；

[0030] 综上，本发明将高效率的倏逝场耦合、V型槽、L弯波导及波导型超导纳米线结构集成，可实现一个集高探测效率、高计数率、低时间抖动以及低暗计数为一体的单光子探测器；有望应用于量子光学、量子保密通信、激光雷达、环境光谱学、医学荧光光谱扫描和多光谱雷达等领域；并将在光量子模拟/计算、量子光学领域发挥作用。

附图说明

[0031] 图1显示为本发明实施例中的微纳光纤‑波导‑超导纳米线单光子探测器的制备工艺流程示意图。

[0032] 图2显示为本发明实施例中的微纳光纤‑波导‑超导纳米线单光子探测器的立体结构示意图。

[0033] 图3显示为图2中沿A‑A’获得的截面结构示意图。

[0034] 图4显示为图2中沿B‑B’获得的截面结构示意图。

[0035] 图5显示为图2中波导的局部放大结构示意图。

[0036] 图6显示为图2中沿C‑C’获得的截面结构示意图。

[0037] 元件标号说明

[0038] 100                     SOI衬底

[0039] 101                     底层硅

[0040] 102                     埋氧层

[0041] 103                     顶层硅

[0042] 110                     凹槽

[0043] 113                     第一硅波导

[0044] 123                     弯角硅波导

[0045] 133                     第二硅波导

[0046] 200                     刻蚀标记

[0047] 300                     超导纳米线

[0048] 400                     微纳光纤

[0049] 401                     拉锥端

[0050] L                       长度

[0051] W1、W2                   宽度

具体实施方式

[0052] 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

[0053] 如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

[0054] 为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。本文使用的“介于……之间”表示包括两端点值。

[0055] 在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

[0056] 需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，其组件布局型态也可能更为复杂。

[0057] 现如今的光纤到波导的耦合方式主要分为两大类：一类是光栅辅助耦合，这种方式应用非常广泛，但是光栅辅助耦合的效率通常较低，而高效率的光栅耦合制备工艺非常的复杂，并且光栅本身具有选频作用，这会限制探测器的带宽。第二类是使用模斑转换器，即通过各种高度或者宽度渐变的结构绝热的把光纤中的模式耦合至波导之中，但是此类耦合方式最大的缺点是需要一定的耦合区域，通常为百微米级别，这会给器件的集成度造成很大的阻碍。

[0058] 微纳光纤(Micro‑nano Fiber，MF)是一种新型的实用型光纤结构，其利用火焰熔融拉锥法可制备出对光约束力极强、光传输损耗极小、光场模式便于调节的特殊高性能光纤。由于MF存在较强的倏逝场，并且传输光谱较宽，已经被广泛地应用于光学传感、光学耦合、光谐振腔等领域中。由于其倏逝场的特性，因此，使用微纳光纤的这个特性来进行光纤到波导的耦合是可行的。

[0059] 现如今高效率的SSPD一般都为曲折线模式，这是由于其光耦合的方式为正面对光或者背面对光决定的。可以说其光耦合的方式是造成SSPD各种参数之间互相制衡的重要因素之一。波导上SSPD结构可从几何结构上解决片上纳米线的吸收效率和计数率、时间抖动等参数的制衡关系，但是其采用的是光纤直接对准的方式，耦合效率只有约5％。

[0060] 鉴于现有技术存在的问题，本发明提供一种集成微纳光纤‑波导‑超导纳米线单光子探测器及制备方法，以实现单光子探测器低暗计数、高速、低时间抖动以及高效率。

[0061] 如图1，本实施例提供一种微纳光纤‑波导‑超导纳米线单光子探测器的制备方法，在本实施例中，仅以SOI衬底作为示例，以对应制备基于硅波导的单光子探测器，但所述衬底的种类及形成的波导的类型并非局限于此，有关所述衬底及形成的波导的具体种类此处不作过分限制。如当采用所述SOI衬底时，所述波导为SOI波导，但所述波导还可为如SiN波导、GaS波导、AlN波导、LiNbO3波导或者Diamond波导中的一种，此处不作过分限制，以扩大应用范围。

[0062] 本实施例中，制备所述微纳光纤‑波导‑超导纳米线单光子探测器具体包括：

[0063] 提供SOI衬底，所述SOI衬底包括依次叠置的底层硅、埋氧层及顶层硅；

[0064] 图形化所述SOI衬底，在所述SOI衬底中形成凹槽及硅波导，所述硅波导包括依次相连接的第一硅波导、弯角硅波导及第二硅波导；

[0065] 形成超导纳米线，所述超导纳米线位于所述第二硅波导上，且所述超导纳米线与所述第二硅波导构成波导型超导纳米线结构；

[0066] 提供微纳光纤，并将所述微纳光纤固定于所述凹槽中，所述微纳光纤包括拉锥端，且所述微纳光纤通过所述拉锥端与所述第一硅波导通过贴合进行光耦合。

[0067] 以下结合附图2～图6，对本实施例的所述微纳光纤‑波导‑超导纳米线单光子探测器及制备方法进行介绍。

[0068] 首先，参阅图2，提供SOI衬底100，所述SOI衬底100包括依次叠置的底层硅101、埋氧层102及顶层硅103。

[0069] 具体的，所述SOI衬底100可包括尺寸为2英寸、6英寸、8英寸、12英寸等的SOI晶圆，但并非局限于此，也可采用划片机将SOI晶圆切割成如2cm×2cm尺寸的正方形衬底等，其中，所述SOI衬底100可直接采购，也可通过氧化及沉积的方式，通过在硅晶圆上依次制备形成所述埋氧层102及顶层硅103，有关所述SOI衬底的尺寸及制备方法等，此处不作过分限制。本实施例中，所述SOI衬底100仅以2英寸作为示例，但所述SOI衬底的尺寸并非局限于此。

[0070] 接着，参阅图2及图3，图形化所述SOI衬底100，在所述SOI衬底100中形成凹槽110及硅波导，其中，所述硅波导包括依次相连接的第一硅波导113、弯角硅波导123及第二硅波导133。

[0071] 作为示例，形成所述凹槽110的方法包括机械切割法或光刻法。

[0072] 具体的，本实施例中为降低工艺复杂度，所述凹槽110的形成方法采用机械切割法，但形成所述凹槽110的方法并非局限于此，如所述凹槽110也可采用通过掩膜进行刻蚀的方法形成，关于所述凹槽110的具体制备工艺此处不作过分限制。

[0073] 作为示例，形成的所述凹槽110包括V型槽，所述V型槽的对称轴线和所述第一硅波导113的中心线重合。

[0074] 具体的，本实施例中，所述凹槽110采用V型槽，以通过所述V型槽可对后续的微纳光纤400与第一硅波导113进行高精度的耦合校准，并且所述V型槽可以使所述微纳光纤400由粗变细即所述微纳光纤400的拉锥端401的过渡段悬空，从而可防止光向所述SOI衬底100的泄露，以提高光传输效率。所述凹槽110的形貌并非局限于此，有关所述凹槽110的形貌及尺寸主要取决于所述微纳光纤400的具体尺寸，此处不作过分限制。

[0075] 本实施例优选所述凹槽110的开口面至所述微纳光纤400的距离h(参阅图3)与所述微纳光纤400的所述拉锥端401至所述第一硅波导113的距离h’(参阅图4)相等，使所述V型槽的对称轴线和所述第一硅波导113的中心线重合，以使得所述微纳光纤400可以和所述第一硅波导113实现良好的光耦合，以进一步的实现高效率的光吸收，以进行良好的对准耦合。

[0076] 在形成所述硅波导之前，还包括形成刻蚀标记200的步骤，具体可包括如下步骤：

[0077] 清洗带有所述凹槽110的所述SOI衬底100，如可采用超声清洗，以去除所述SOI衬底100表面附着的杂质；

[0078] 在所述SOI衬底100表面均匀旋涂光刻胶；

[0079] 进行电子束曝光，将刻蚀标记图案曝光在所述光刻胶上；

[0080] 进行显影、定影；

[0081] 采用电子束蒸发2nm厚的钛及100nm厚的金；

[0082] 去除所述光刻胶，以制备金刻蚀标记。

[0083] 接着，制备所述硅波导，具体可包括以下步骤：

[0084] 在具有所述金刻蚀标记的洁净的芯片表面均匀旋涂电子束胶；

[0085] 进行电子束曝光；

[0086] 进行显影、定影；

[0087] 采用如感应耦合等离子体反应离子束刻蚀(ICP‑RIE)工艺对所述顶层硅103进行硅刻蚀，以得到图形化的所述硅波导；

[0088] 对刻蚀后的芯片表面进行去胶，并清洗芯片。

[0089] 其中，有关所述刻蚀标记200的种类、结果及制备，以及有关所述硅波导的种类、结构及制备可根据需要进行适应性的调整，并非局限于此。

[0090] 作为示例，形成的所述硅波导可包括脊型硅波导或条形硅波导。

[0091] 具体的，参阅图4～图6，本实施例中，所述硅波导采用条形硅波导，但所述硅波导的形貌并非局限于此，也可采用如脊型硅波导等，此处不作过分限制。其中，所述硅波导的厚度可为220nm～300nm，如220nm、250nm、300nm等，具体可根据需要进行选择。

[0092] 作为示例，形成的所述弯角硅波导123的弯角取值可为15°～165°。

[0093] 具体的，参阅图2，刻蚀后，形成的所述硅波导包括位于一端的第一硅波导113、位于中间段的弯角硅波导123及位于另一端的第二硅波导133，其中，通过所述第一硅波导113可实现所述微纳光纤400与所述硅波导的光耦合，以实现高效率的光吸收；通过所述第二硅波导133可使所述硅波导与后续的超导纳米线300构成波导型超导纳米线结构，以进行倏逝场耦合，以在片上实现对光的良好吸收；通过所述弯角硅波导123则可使得所述微纳光纤400与所述第一硅波导113的光耦合和所述波导型超导纳米线结构的光探测完全分离开，以有效减少沿光纤传播的背景辐射导致的暗计数，降低光耦合对光探测的影响，其中所述弯角的取值可为如15°、30°、45°、60°、90°、120°、165°等，本实施例中优选采用弯角为90°的L弯角硅波导，但并非局限于此。

[0094] 作为示例，所述第一硅波导113可包括Taper波导。

[0095] 具体的，参阅图5，所述Taper波导即为一个由细变宽的锥状结构，且所述Taper波导的细端与所述微纳光纤400相接触，使得来自所述微纳光纤400的光可低损耗的耦合进波导之中。其中，所述Taper波导的长度L可为6.5μm，宽度可由W1＝200nm渐变到W2＝500nm。有关所述Taper波导的具体尺寸的选择此处不作过分限制。接着，形成超导纳米线300，所述超导纳米线300位于所述第二硅波导133上，且所述超导纳米线300与所述第二硅波导133构成波导型超导纳米线结构。

[0096] 形成所述超导纳米线300的具体步骤可包括：

[0097] 采用直流磁控溅射沉积约7nm厚的NbN薄膜；

[0098] 在芯片表面均匀旋涂负性电子束胶，如HSQ光刻胶；

[0099] 采用电子束曝光，将纳米线、辅助电感、电极区图案曝光在电子束胶上；

[0100] 进行显影、定影；

[0101] 进行反应离子束刻蚀；

[0102] 对刻蚀后的芯片表面进行去胶，并清洗芯片。

[0103] 其中，形成所述超导纳米线300的步骤并非局限于此，可根据具体需要进行适应性调整。

[0104] 作为示例，形成的所述超导纳米线300可包括NbN超导纳米线、Nb超导纳米线、TaN超导纳米线、MoSi超导纳米线、MoGe超导纳米线、NbTiN超导纳米线或WSi超导纳米线中的一种。

[0105] 具体的，本实施例中，所述超导纳米线300采用NbN超导纳米线，但所述超导纳米线300的种类并非局限于此。所述超导纳米线300的形貌可采用U型、折线型、蛇形等，关于所述超导纳米线300的材质及形貌此处不作限定，且所述超导纳米线300的厚度可为1nm～15nm，如1nm、4nm、5nm、8nm、10nm、15nm等，所述超导纳米线300的长度为1μm～500μm，如1μm、40μm、
100μm、150μm、500μm等，具体可根据需要进行选择。

[0106] 其中，还可包括使用划片机进行划片及超声压焊的步骤，如将制备的芯片放置到金属封装盒中并固定；使用超声压焊将纳米线的电极与盒子SMA电连接器连接等步骤，此处不作过分限制。

[0107] 接着，提供所述微纳光纤400，并将所述微纳光纤400固定于所述凹槽110中，所述微纳光纤400包括所述拉锥端401，且所述微纳光纤400通过所述拉锥端401与所述第一硅波导113通过贴合进行光耦合。

[0108] 作为示例，在将所述微纳光纤400固定于所述凹槽110中时，还可包括采用折射率相匹配的紫外固化胶对所述拉锥端401及第一硅波导133进行固定的步骤。

[0109] 具体的，可包括以下步骤，但并非局限于此：

[0110] 将制备好的所述微纳光纤400放置在所述V型槽上，通过光学显微镜观察光纤尖端即所述拉锥端401与所述第一硅波导113的对准情况，并使用自制的多维度位移台来微调所述微纳光纤400的位置；

[0111] 在调整好位置后，滴入折射率匹配的紫外固化胶，并使用紫外灯进行固化；

[0112] 在非光纤拉锥区即所述拉锥端401使用低温胶将所述微纳光纤400与所述V型槽、SOI衬底100、封装盒进行固定；

[0113] 盖上金属封装盖，拧紧螺钉，在盖子与所述微纳光纤400的出口处，滴入低温胶，完成最后的光纤加固。

[0114] 本实施例还提供一种微纳光纤‑波导‑超导纳米线单光子探测器，所述微纳光纤‑波导‑超导纳米线单光子探测器可采用上述制备工艺制备，但并非局限于此。

[0115] 在本实施例中，仅以SOI衬底作为示例，以提供基于硅波导的单光子探测器，但所述衬底的种类及波导的类型并非局限于此，有关所述衬底及波导的具体种类此处不作过分限制。具体的，如图2～图6，本实施例中，所述微纳光纤‑波导‑超导纳米线单光子探测器包括SOI衬底100、硅波导、超导纳米线300及微纳光纤400，其中，所述SOI衬底100包括依次叠置的底层硅101、埋氧层102及顶层硅103，且所述SOI衬底100中具有凹槽110；所述硅波导包括依次相连接的第一硅波导113、弯角硅波导123及第二硅波导133；所述超导纳米线300位于所述第二硅波导133上，且所述超导纳米线300与所述第二硅波导133构成波导型超导纳米线结构；所述微纳光纤400固定于所述凹槽110中，所述微纳光纤400包括拉锥端401，且所述微纳光纤400通过所述拉锥端401与所述第一硅波导113通过贴合进行光耦合。

[0116] 作为示例，所述第一硅波导113可包括Taper波导。

[0117] 具体的，参阅图5，所述Taper波导即为一个由细变宽的锥状结构，且所述Taper波导的细端与所述微纳光纤400相接触，使得来自所述微纳光纤400的光可低损耗的耦合进波导之中。其中，所述Taper波导的长度L可为6.5μm，宽度可由W1＝200nm渐变到W2＝500nm。有关所述Taper波导的具体尺寸的选择此处不作过分限制。

[0118] 作为示例，所述弯角硅波导123的弯角取值可为15°～165°，其中，通过所述弯角硅波导123可使得所述微纳光纤400与所述第一硅波导113的光耦合和所述超导纳米线300与所述第二硅波导133所构成的波导型超导纳米线结构的光探测完全分离开，可有效减少沿光纤传播的背景辐射导致的暗计数，降低光耦合对光探测的影响，其中所述弯角的取值可为如15°、30°、45°、60°、90°、120°、165°等，本实施例中优选采用弯角为90°的L弯角硅波导，但并非局限于此。

[0119] 作为示例，所述凹槽110可包括V型槽，所述V型槽的对称轴和所述第一波导的中心线重合，以通过所述V型槽对所述微纳光纤400及第一硅波导113进行高精度的耦合校准，并且所述V型槽可以使所述微纳光纤400由粗变细即所述微纳光纤400的拉锥端401的过渡段悬空，从而可防止光向所述SOI衬底100的泄露，以提高光传输效率。所述凹槽110的形貌并非局限于此，有关所述凹槽110的形貌及尺寸主要取决于所述微纳光纤400的具体尺寸。

[0120] 作为示例，所述硅波导可包括脊型硅波导或条形硅波导，此处不作过分限制。

[0121] 作为示例，所述硅波导的厚度可为220nm～300nm，如220nm、250nm、300nm等，具体可根据需要进行选择。

[0122] 作为示例，所述超导纳米线300的厚度可为1nm～15nm，如1nm、4nm、5nm、8nm、10nm、15nm等，所述超导纳米线300的长度为1μm～500μm，如1μm、40μm、100μm、150μm、500μm等，具体可根据需要进行选择。

[0123] 作为示例，所述超导纳米线300可包括NbN超导纳米线、Nb超导纳米线、TaN超导纳米线、MoSi超导纳米线、MoGe超导纳米线、NbTiN超导纳米线或WSi超导纳米线中的一种，其中，所述超导纳米线300的形貌可包括U型、折线型、蛇形等，具体可根据需要进行选择。

[0124] 综上所述，本发明的微纳光纤‑波导‑超导纳米线单光子探测器及制备方法，具有以下有益效果：

[0125] (1)采用波导型超导纳米线结构，使波导与超导纳米线之间进行倏逝场耦合，以在片上实现对光的完全吸收；

[0126] (2)固定于凹槽中的微纳光纤的倏逝场可以和波导实现良好的光耦合，进而可实现高效率的光吸收；

[0127] (3)采用V型槽可对微纳光纤与波导进行高精度的耦合对准，并且该结构可以使微纳光纤由粗变细的过渡段悬空，防止光向衬底的泄露，提高光传输效率；

[0128] (4)采用弯角波导尤其是弯角为90°的L弯角波导，使得微纳光纤与波导的光耦合和波导型超导纳米线结构的光探测完全分离开，可有效减少沿光纤传播的背景辐射导致的暗计数，降低光耦合对光探测的影响；

[0129] 本发明无需光学腔进行耦合，可以沿波导部分对光进行吸收，将高效率的倏逝场耦合、V型槽、L弯波导及波导型超导纳米线结构集成，可实现一个集高探测效率、高计数率、低时间抖动以及低暗计数为一体的探测器；有望应用于量子光学、量子保密通信、激光雷达、环境光谱学、医学荧光光谱扫描和多光谱雷达等领域；以在未来的量子计算、量子光学领域发挥作用。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。