CN103364091A - 一种多功能超导单光子探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能超导单光子探测器，包括光路耦合装置、超导芯片、驱动电路和读出电路，所述超导芯片的信号输入端口与所述光路耦合装置的信号输出端口连接，所述超导芯片的驱动端口与所述驱动电路的端口连接，所述超导芯片的信号输出端口与所述读出电路的输入端口连接，所述超导芯片包括多根超导纳米线，每根超导纳米线分别与所述读出电路连接，并且多根超导纳米线固定在同一基片或多个基片上，当多根纳米线固定在多个基片上时，每个基片上至少固定一根纳米线。本发明不仅可以判断是否有光子入射，还能分辨出入射光信号中的光子数目，并分辨出入射光子的位置和空间分布，适应性强。

Description

一种多功能超导单光子探测器

技术领域

本发明涉及一种超导单光子探测器，具体涉及一种多功能超导单光子探测器。

背景技术

光子是传递电磁相互作用的基本粒子，是一种规范玻色子。光子是电磁辐射的载体，而在量子场论中光子被认为是电磁相互作用的媒介子。与大多数基本粒子相比，光子的静止质量为零，这意味着其在真空中的传播速度是光速。与其他量子一样，光子具有波粒二象性：光子能够表现出经典波的折射、干涉、衍射等性质；而光子的粒子性则表现为和物质相互作用时不像经典的粒子那样可以传递任意值的能量，光子只能传递量子化的能量。对可见光而言，单个光子携带的能量约为4×10^-19焦耳，这样大小的能量足以激发起眼睛上感光细胞的一个分子，从而引起视觉。除能量以外，光子还具有动量和偏振态，但单个光子没有确定的动量或偏振态。

光电探测器是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。当超导薄膜远低于临界温度时，超导体处于超导态。如果给该薄膜通过上电流，当电流高于某一值时，超导态就会被破坏而转变为正常态。这个电流就称为临界电流，单位截面上通过的电流就成为临界电流密度。如果将超导薄膜加工成纳米条，置于远低于其临界温度环境，并通上略低于临界电流的电流时，该超导纳米条对入射的光子就非常敏感，利用这一原理人们发明了超导单光子检测器。

超导单光子检测是一种基于超导薄膜的单光子检测技术，和常见的单光子检测器，如处于盖格模式的雪崩二极管和光电倍增管等相比具有显著的优点，通常半导体的单光子检测器检测到一个光子后恢复到初始状态的时间很长，通常在微秒量级，因此通常限制其检测光子的速度在kHz量级。而超导单光子检测器的复时间通常在纳秒量级，比半导体的检测器高了三个数量级，并且理论上超导单光子探测器的检测速率还可以进一步提高。暗计数方面，超导单光子探测器几乎没有暗计数，而半导体检测器的暗计数非常高，能够到几万甚至更高。另外，由于半导体材料制备的探测器，其光谱相应范围都很窄，而超导单光子探测器很容易就能够覆盖可见光到红外区域，超导单光子探测器还具有电流抖动小、信噪比高、测电路简单等等优点.。但是，常规超导单光子检测技术只能判断是否有光子，系统输出只有0和1两种。在实际光信号检测中，常规超导单光子探测器不能分别输入光信号的部分信息，如光子数和空间分布等。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种能有效分辨输入光信号的光子数和光子位置、适应能力强的多功能超导单光子探测器。

技术方案：本发明所述的一种多功能超导单光子探测器，包括光路耦合装置、超导芯片、驱动电路和读出电路，所述超导芯片的信号输入端口与所述光路耦合装置的信号输出端口连接，所述超导芯片的驱动端口与所述驱动电路的端口连接，所述超导芯片的信号输出端口与所述读出电路的输入端口连接，

所述超导芯片包括多根超导纳米线，每根超导纳米线分别与所述读出电路连接，并且多根超导纳米线固定在同一基片或多个基片上，当多根纳米线固定在多个基片上时，每个基片上至少固定一根纳米线。上述多根超导纳米线既可以单独作为一个探测器工作，也可以作为整个系统的一部分工作。

为了将光子信号分束并且耦合，确保耦合传输过程中损耗小，所述光路耦合装置包括分束器和耦合器，所述分束器的输出端口与所述耦合器的输入端口通过单模光纤连接。

为了使超导芯片保持稳定的工作点，给各超导探测器提供偏置电流，并避免超导芯片之间的干扰，所述驱动电路包括直流电压源和至少两个偏置电阻，至少两个偏置电阻相互并联后与所述直流电压源和所述超导芯片串联。

为了将超导芯片输出的光子响应信号放大，并进行初步的处理，所述读出电路包括依次电路连接的低噪声前置放大器、衰减器、功率合成器和功率放大器。

为了保证超导芯片的工作温度，还包括提供1-5K工作环境的低温装置，所述低温装置设置于所述超导芯片的外围。

为了使低温装置内的工作环境处于1-5K并且稳定，所述低温装置包括GM制冷机、液氦机、脉管制冷机、He3制冷机或者稀释制冷机。

有益效果：本发明提供的一种多功能超导单光子探测器，通过在超导芯片上设置多根超导纳米线，在不影响超导单光子探测器效率、暗计数、检测速度等参数的情况下，不仅可以判断是否有光子入射，还能分辨出入射光信号中的光子数目，并分辨出入射光子的位置和空间分布，适应性强；并且，本发明的结构简单，辅助电路简易，容易制备，易操作，不需要专门的进行人员的培训，成本低，工作效率高。

附图说明

图1为本发明提供的一种多功能超导单光子探测器的结构框架图；

图2为实施例中通过读出电路输出的光响应信号的曲线图；

图3为实施例中多根超导纳米线固定在同一基片上的结构示意图；

图4为本实施例中驱动电路的电路图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：本发明一种多功能超导单光子探测器，包括光路耦合装置、超导芯片、驱动电路和读出电路。

超导芯片的材料、结构和直流特性和常规芯片的超导纳米线类似，不同的是包括多根超导纳米线，每根超导纳米线分别与所述读出电路连接，并且多根超导纳米线固定在同一基片或多个基片上，当多根纳米线固定在多个基片上时，每个基片上至少固定一根纳米线。上述多根超导纳米线既可以单独作为一个探测器工作，也可以作为整个系统的一部分工作。本实施例中，4根超导纳米线1固定在同一基片上，其结构示意图如图3所示，并通过电极引线2引入测量装置3进行测量。

光路耦合装置的信号输出端口通过单模光纤与超导芯片的信号输入端口连接，入射光信号通过光路耦合装置输入到超导芯片。光路耦合装置包括分束器和耦合器，分束器的输出端口与耦合器的输入端口通过单模光纤连接。光子信号通过单模光纤传输至分束器，通过分束器均分为n束光，并通过耦合器耦合到n路单模光纤后输入至超导芯片。每一路单模光纤的长度由输出响应信号的位置决定，其长度选择的原则是保证每一路响应都同步输出。光路耦合装置耦合传输过程的全部损耗小于0.3dB。

驱动电路的输出端口通过单模光纤与超导芯片的驱动端口连接，采用稳定直流电压源和至少两个偏置电阻获得，至少两个偏置电阻相互并联后与所述直流电压源和所述超导芯片串联。本实施例的驱动电路如图如图4所示，包括直流电压源4、偏置电阻R1、R2、R3和R4，超导芯片5，偏置电阻R1、R2、R3和R4相互并联后，与直流电压源4和超导芯片5串联。驱动电路给各超导探测器提供偏置电流，并避免超导芯片之间的干扰偏置电压源为可调电压源，可调范围为0.1-3V，精度优于1mV。偏置电阻阻值大小为10-100kohm。超导芯片的超导纳米线经偏置树的DC端和偏置电阻串联。直流电压源和偏置电阻相连，为超导纳米线提供1-100微安的电流。偏置电阻的大小由所串联的超导纳米线的超导电流确定，选择的原则是使所有超导纳米线都能工作在灵敏、稳定的工作点。

读出电路的输入端口通过同轴电缆与超导芯片的信号端口连接，包括依次电路连接的低噪声前置放大器、衰减器、功率合成器和功率放大器。读出电路的工作原理为：超导纳米线通过BIAS Tee的RF输出的光子响应信号首先通过低噪声前置放大器进行信号放大，低噪声前置放大器还有一个重要的功能是阻抗匹配，防止BIAS Tee的RF端的信号反射导致超导纳米线工作不稳定，低噪声前置放大器的增益可以通过其电源微调。衰减器也可以控制前置放大器输出信号的幅度。多根超导纳米线的响应信号均分别通过BIAS Tee的RF端、前置放大器和衰减器，最后输入到功率合成器，功率合成器的输出信号最后通过功率放大器放大到便于应用分析的幅度。通过调整前置放大器的增益和衰减器，可以获得小于前置放大器最大增益值的任意增益。本系统将每路的增益设为不同值，并且呈1、2、4、…、2n关系，这样超导纳米线的任何一种响应组合，功率合成都会输出不同幅度的输出信号。因此，输出信号的幅度不仅包含了是否有光子入射的信息，还有光子数数目，甚至光子的空间分布信息。

另外，本实施例还包括低温装置，低温装置设置于超导芯片的外围，本实施例的超导芯片工作在低温装置内。低温装置为超导芯片提供1-5K工作环境，该低温环境可以由GM制冷机、液氦机、脉管制冷机、He3制冷机或者稀释制冷机等获得。

上述多功能超导单光子探测器工作时，通过低温装置将超导芯片的工作环境温度降到并保持在4K，打开光路耦合装置、驱动电路和读出电路，光纤传导光信号，通过气密性接口将光信号传入超导芯片，驱动电路将超导芯片的纳米线偏置在优化后的工作点，超导纳米线的光响应信号通过读出电路输出，输出的光响应信号的曲线图如图2所示。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (6)

1.一种多功能超导单光子探测器，其特征在于，包括光路耦合装置、超导芯片、驱动电路和读出电路，所述超导芯片的信号输入端口与所述光路耦合装置的信号输出端口连接，所述超导芯片的驱动端口与所述驱动电路的端口连接，所述超导芯片的信号输出端口与所述读出电路的输入端口连接，

所述超导芯片包括多根超导纳米线，每根超导纳米线分别与所述读出电路连接，并且多根超导纳米线固定在同一基片或多个基片上，当多根纳米线固定在多个基片上时，每个基片上至少固定一根纳米线。

2.根据权利要求1所述的一种多功能超导单光子探测器，其特征在于，所述光路耦合装置包括分束器和耦合器，所述分束器的输出端口与所述耦合器的输入端口通过单模光纤连接。

3.根据权利要求1所述的一种多功能超导单光子探测器，其特征在于，所述驱动电路包括直流电压源和至少两个偏置电阻，至少两个偏置电阻相互并联后与所述直流电压源和所述超导芯片串联。

4.根据权利要求1所述的一种多功能超导单光子探测器，其特征在于，所述读出电路包括依次电路连接的低噪声前置放大器、衰减器、功率合成器和功率放大器。

5.根据权利要求1所述的一种多功能超导单光子探测器，其特征在于，还包括提供1-5K工作环境的低温装置，所述低温装置设置于所述超导芯片的外围。

6.根据权利要求5所述的一种多功能超导单光子探测器，其特征在于，所述低温装置包括GM制冷机、液氦机、脉管制冷机、He3制冷机或者稀释制冷机。

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