革命性突破！高效能分形奈米線光子偵測器問世

科學家們最近開發出一種全新的製造技術，成功克服了可擴充套件單光子偵測器在設計與效能上的挑戰。這項針對弧形分形超導奈米線單光子偵測器（AF SNSPDs）的新技術，不僅提升了光子偵測效率，更為量子計算與安全通訊領域帶來重大突破。

在現代科技中，光偵測扮演著至關重要的角色，從高速通訊到量子計算與感測技術都不可或缺。其中，光子偵測器是這些系統的核心元件，負責識別與測量單個光粒子（光子）。超導奈米線單光子偵測器（SNSPD）是其中一種極具效能的偵測器，它利用超薄超導線在被光子擊中時，能瞬間從超導態轉變為電阻態的特性，實現極快速的光子偵測。

為了提升效能，這些偵測器中的奈米線採用了皮亞諾弧形分形圖案排列。這種獨特的分形結構在不同尺度下保持一致，使SNSPDs能夠偵測來自任何方向或極化（電場方向）的光子，展現出極高的多功能性。正因其卓越的速度與靈敏度，弧形分形SNSPDs（AF SNSPDs）被廣泛應用於量子計算、安全通訊與光學雷達（LiDAR）等技術領域。

最近發表在《IEEE量子電子學精選期刊》上的一項研究，由中國天津大學的胡曉龍教授與鄒凱博士主導，詳細介紹了製造高品質AF SNSPDs的指南。該研究不僅闡述了製造這些先進偵測器所需的材料與技術，更深入探討了其中的關鍵挑戰。

AF SNSPDs由三個主要元件組成：用於光子偵測的奈米線、捕捉光子的光學微腔，以及容納並對準光纖的鎖孔形晶片。製造過程首先透過離子束輔助沉積（IBD）在矽晶圓上交替沉積六至八層二氧化矽（SiO₂）與五氧化二鉭（Ta₂O₅），形成底部分散式布拉格反射鏡，接著加入一層SiO₂缺陷層。隨後，利用反應性磁控濺射在缺陷層上沉積9奈米的鈮鈦氮化物（NbTiN）超導薄膜，形成光子敏感表面。接著，透過光學微影與剝離工藝，在表面上製造鈦金電極。

奈米線則透過掃描電子束微影技術製成分形圖案，並透過反應性離子蝕刻轉移到NbTiN層上。光學微腔的完成則是透過沉積頂部SiO₂缺陷層與額外的Ta₂O₅/SiO₂交替層，並使用對準光學微影與IBD技術。最後，晶片透過光學微影、感應耦合電漿蝕刻與博世蝕刻工藝，製成鎖孔形狀，並封裝以連線光纖。

研究團隊還提出了多項最佳化建議，包括：使用5奈米矽或3奈米SiO₂層作為黏附促進劑，以改善奈米線與NbTiN材料之間的結合；利用輔助AF奈米線圖案確保奈米線寬度一致；以及精心設計光學微腔的佈局與間距，以最小化光阻變形。此外，他們也建議使用精確的對準標記來製作鎖孔形晶片，並在固化過程中逐步加熱，以增強光阻穩定性並減少蝕刻缺陷。

總結來說，這項研究成功開發出具有卓越靈敏度與系統偵測效率的SNSPDs。胡教授表示：「這些進展將有助於簡化分形SNSPDs的製造，並推動更多具備附加功能的高階裝置發展。」隨著SNSPD設計與製造技術的持續改進，量子計算、通訊與光學感測領域的突破指日可待。光子學的未來，可謂一片光明！