CN108333696A - 一种超导单光子探测器套管辅助光对准封装装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超导单光子探测器套管辅助光对准封装装置，包括底座，底座中部设置有套筒支撑柱，底座一端设置有同轴电缆连接头，套筒支撑柱外部设置有高精度套管，高精度套管顶部开口与光钎套筒连接，高精度套管内设置有探测器芯片，探测器芯片底部与套筒支撑柱顶部连接，光钎套筒顶部设置有光钎固定环，光钎套筒内设置有光钎，光钎套筒与探测器芯片之间设置有光学折射率匹配液，光钎底部与芯片光敏区接触，所述探测器芯片另一端通过点焊线与同轴电缆连接头连接。本发明借助高精度套管辅助定位，实现了超导探测器芯片与耦合光纤的精确对准，超导探测器芯片和光纤之间通过光学折射率匹配液减少了插入损耗。
Description
技术领域
本发明属于超导单光子探测技术领域，特别涉及一种超导单光子探测器套管辅助光对准封装装置。
背景技术
单光子探测器是量子信息领域的关健技术，是实现对单量子态进行操控、处理和研究的基本技术手段。超导纳米线单光子检测器是一种利用超导纳米线条进行光子检测的高灵敏探测器。探测器感光部分为薄膜纳米线结构，工作时纳米线上的电流被偏置在稍低于临界电流的位置。当纳米线吸收光子后，吸收区域的超导态被短时破坏，随后能自动恢复到超导状态。在电路上表现为快速上升、随后指数衰减的电脉冲。通过将此脉冲信号放大，我们就可以鉴别出单光子。
由于超导探测器必须工作在低温环境，而封装工作往往在室温下完成。因此，常规的封装方式面临着巨大温差带来的光对准误差。由于材料的热涨冷缩，即便在常温下精确对准，在降温到液氦温区以下后，原始的机械结构面临变形风险，极大的降低了探测器的光对准精度。这些风险降低了探测器封装的成品率和光耦合效率，限制了超导探测器的大规模应用。
一种常用的超导探测器封装结构原理见图1：在室温下设置光学微调装置，通过光学系统直接耦合到位于低温装置内的超导探测器器芯片。由于该方法微调精度高，且可实时监控，可以实现极高的精度。但是，该方法需要低温装置安装光学窗口，而窗口的热辐射会导致低温装置热负载增加。在实际应用方面，该系统需要高精度的微调装置和减震装置，系统成本和复杂度大大增加，不利于应用推广。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的超导探测器的光对准封装问题，本发明提供一种使得探测器光对准精度优于1微米，光耦和效率高于99.9％，装置体积小、成本低、使用方便，为超导探测器应用推广奠定重要基础的超导单光子探测器套管辅助光对准封装装置。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供一种超导单光子探测器套管辅助光对准封装装置，包括底座，底座中部设置有套筒支撑柱，底座一端设置有同轴电缆连接头，套筒支撑柱外部设置有高精度套管，高精度套管顶部开口与光钎套筒连接，高精度套管内设置有探测器芯片，探测器芯片底部与套筒支撑柱顶部连接，光钎套筒顶部设置有光钎固定环，光钎套筒内设置有光钎，光钎套筒与探测器芯片之间设置有光学折射率匹配液，该匹配液通过浸润填满光纤与芯片之间的全部空隙，匹配液可在紫外光照射下快速凝固或较长时间下自然凝固，光钎底部与芯片光敏区接触并自动无反射损耗对准，所述探测器芯片另一端通过点焊线与同轴电缆连接头连接。
进一步的，所述探测器芯片由圆形头端和延长尾端构成，所述圆形头端的直径与高精度套管的内径相同，所述延长尾端通过点焊线与同轴电缆连接头连接。通过将探测器芯片由圆形头端和延长尾端构成，可以更加安全的通过点焊线与同轴电缆连接头连接，并且能够在使用过程中对整体设备进行更好的检测，防止出现安全隐患。通过将圆形头端的直径与高精度套管的内径相同，可以使得探测器芯片在使用过程中不会晃动，能够起到更好的稳定性。
进一步的，所述高精度套管设置有一个开口端，所述延长尾端通过开口端伸出高精度套管外部。通过将高精度套管设置开口端，可以更好的将探测器芯片的延长尾端通过开口端伸出高精度套管外部与点焊线接触并通过点焊线与同轴电缆连接头连接，并且也起到了更好的安全性，和整体装置的使用寿命。
进一步的，所述探测器芯片底部与套筒支撑柱顶部通过低温胶连接。通过在探测器芯片底部与套筒支撑柱顶部之间涂抹低温胶，可以确保探测器芯片和底座进行良好的热传导并且可以使得探测器芯片可以迅速降温到最低<0.008K。
进一步的，所述底座内设置有底座固定孔。通过在底座内设置底座固定孔可以将设备更好的固定在底座上。
进一步的，所述光学折射率匹配液的折射率为1.3-1.6，实现光纤到器件纳米线等效折射率匹配，将光纤耦合端面反射损耗降低到<0.1％，且减小器件表面反射损耗。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明借助高精度套管辅助定位，实现了超导探测器芯片与耦合光纤的精确对准，超导探测器芯片和光纤之间通过光学折射率匹配液减少了插入损耗。整套方案配合使用，可以获得耦合效率大于99.9％。具体表现在：
1、对光精度高，光耦合效率高达99.9％；
2、本装置体积小，重量轻，整体尺寸小于30mm(长)×10mm(宽)×15mm(高)，占冷头空间小，给低温系统的热负载小；
3、装配速度快，常规操作人员不到10分钟即能封装一个探测器；
4、使用方便，不需光学显微镜，不需要额外的微调或者校正装置；
5、成本低，不需要高精度机械加工零件。
附图说明
图1为现有技术中常规吵到探测器封装装置的结构示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为图1中A部的局部放大图；
图4.为图1中高精度套管的俯视图；
图5为图1中探测器芯片的结构示意图。
1、底座，2、光敏区，3、延长尾端，4、同轴电缆连接头，5、点焊线，6、光学折射率匹配液，7、光纤固定环，8、光纤，9、光纤套筒，10、探测器芯片，11、高精度套管，12、套筒支撑柱，13、底座固定孔，14、开口端，15、圆形头端。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。
一种使得探测器光对准精度优于1微米，光耦和效率高于99.9％，装置体积小、成本低、使用方便，为超导探测器应用推广奠定重要基础的超导单光子探测器套管辅助光对准封装装置。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供一种超导单光子探测器套管辅助光对准封装装置，包括底座，底座中部设置有套筒支撑柱，底座一端设置有同轴电缆连接头，套筒支撑柱外部设置有高精度套管，高精度套管顶部开口与光钎套筒连接，高精度套管内设置有探测器芯片，探测器芯片底部与套筒支撑柱顶部连接，光钎套筒顶部设置有光钎固定环，光钎套筒内设置有光钎，光钎套筒与探测器芯片之间设置有光学折射率匹配液，该匹配液通过浸润填满光纤与芯片之间的全部空隙，匹配液可在紫外光照射下快速凝固或较长时间下自然凝固，光钎底部与芯片光敏区接触并自动无反射损耗对准，所述探测器芯片另一端通过点焊线与同轴电缆连接头连接。其中光纤套筒顶部通过光纤固定环封口并固定，光纤套筒底部开口，光纤套筒底部浸润有匹配液并且光纤穿过光纤固定环和光纤套筒与匹配液接触并最终经过匹配液与探测器芯片的中部光敏区接触。
其中探测器芯片由圆形头端和延长尾端构成，所述圆形头端的直径与高精度套管的内径相同，所述延长尾端通过点焊线与同轴电缆连接头连接。通过将探测器芯片由圆形头端和延长尾端构成，可以更加安全的通过点焊线与同轴电缆连接头连接，并且能够在使用过程中对整体设备进行更好的检测，防止出现安全隐患。通过将圆形头端的直径与高精度套管的内径相同，可以使得探测器芯片在使用过程中不会晃动，能够起到更好的稳定性。高精度套管设置有一个开口端，所述延长尾端通过开口端伸出高精度套管外部。通过将高精度套管设置开口端，可以更好的将探测器芯片的延长尾端通过开口端伸出高精度套管外部与点焊线接触并通过点焊线与同轴电缆连接头连接，并且也起到了更好的安全性，和整体装置的使用寿命。探测器芯片底部与套筒支撑柱顶部通过低温胶连接。通过在探测器芯片底部与套筒支撑柱顶部之间涂抹低温胶，可以确保探测器芯片和底座进行良好的热传导并且可以使得探测器芯片可以迅速降温到最低<0.008K。
其中底座内设置有底座固定孔。通过在底座内设置底座固定孔可以将设备更好的固定在底座上。光学折射率匹配液的折射率为1.3-1.6，实现光纤到器件纳米线等效折射率匹配，将光纤耦合端面反射损耗降低到<0.1％，且减小器件表面反射损耗。。
高精度套管11和光纤套筒9采用低热膨胀系数材料，如不锈钢、碳化硅、氧化锆等，其热膨胀系数低于2×10-5K-1。内外壁光滑，直径为1.5-10mm。其中，高精度套管11内径和光纤套筒9外径相同，精度均优于1微米。
高精度套管11侧壁10-45度区域为开口，如图4所示。便于超导芯片延长尾端伸出，与同轴电缆连接头4通过点焊线5相连。
超导芯片即探测器芯片10为圆头带类蝌蚪形状尾巴，如图5所示，圆形头端直径与高精度套管11内径相同，精度优于1微米。超导芯片尾巴即延长尾端3通过高精度套管11侧壁开口端14伸出，通过点焊线5与同轴电缆连接头4连接。
光纤套筒9和探测器芯片10之间注入光学折射率匹配液6，其折射率为1.3-1.6。
套筒支撑柱12和装置底座1采用热导较好的材料，如铜等，其热导率高于100W/m·K。其中，套筒支撑柱12为圆柱结构，外径较高精度套管11小10微米，加工精度优于10微米。
探测器芯片10和套筒支撑柱12之间通过低温胶粘接，确保探测器芯片10和底座良好热传导。探测器芯片10可降温到最低<0.008K。
具体安装时：第一步：先将套筒支撑柱12固定到装置底座1，将同轴电缆连接头4固定到装置底座1。
第二步：探测器芯片10通过低温胶固定到套筒支撑柱12，然后将高精度套筒11从上而下套入探测器芯片10和套筒支撑柱12；
第三步：将光纤8插入光纤套筒9，用光纤固定环7将光纤8和光纤套筒9固定，并将光纤套筒9前端面磨皮和抛光。
第四步：将光纤套筒9前端面涂抹光学折射率匹配液6，并插入高精度套筒11。
第五步：将超导芯片尾巴即延长尾端3通过点焊线5与同轴电缆连接头4连接。
第六步：通过装置底座固定孔13将该装置固定到低温装置，通过电缆连接到电路，通过光纤连接到光路，该装置即完成光对准封装。
以上所述仅为本发明的实施例子而已，并不用于限制本发明。凡在本发明的原则之内，所作的等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。本发明未作详细阐述的内容属于本专业领域技术人员公知的已有技术。
Claims (6)
1.一种超导单光子探测器套管辅助光对准封装装置，其特征在于，包括底座，底座中部设置有套筒支撑柱，底座一端设置有同轴电缆连接头，套筒支撑柱外部设置有高精度套管，高精度套管顶部开口与光钎套筒连接，高精度套管内设置有探测器芯片，探测器芯片底部与套筒支撑柱顶部连接，光钎套筒顶部设置有光钎固定环，光钎套筒内设置有光钎，光钎套筒与探测器芯片之间设置有光学折射率匹配液，，光钎底部与芯片光敏区接触，所述探测器芯片另一端通过点焊线与同轴电缆连接头连接。
2.根据权利要求1所述的一种超导单光子探测器套管辅助光对准封装装置，其特征在于，所述探测器芯片由圆形头端和延长尾端构成，所述圆形头端的直径与高精度套管的内径相同，所述延长尾端通过点焊线与同轴电缆连接头连接。
3.根据权利要求2所述的一种超导单光子探测器套管辅助光对准封装装置，其特征在于，所述高精度套管设置有一个开口端，所述延长尾端通过开口端伸出高精度套管外部。
4.根据权利要求1所述的一种超导单光子探测器套管辅助光对准封装装置，其特征在于，所述探测器芯片底部与套筒支撑柱顶部通过低温胶连接。
5.根据权利要求1所述的一种超导单光子探测器套管辅助光对准封装装置，其特征在于，所述底座内设置有底座固定孔。
6.根据权利要求1所述的一种超导单光子探测器套管辅助光对准封装装置，其特征在于，所述光学折射率匹配液的折射率为1.3-1.6。
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| 刘昭谦;: "高速半导体光电探测器同轴封装工艺误差分析", 电子制作, no. 15, pages 42 - 44 * |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109632114A (zh) * | 2019-01-23 | 2019-04-16 | 西南交通大学 | 一种超导单光子探测系统中光纤对准装置及光纤对准方法 |
| CN109632114B (zh) * | 2019-01-23 | 2020-04-07 | 西南交通大学 | 一种超导单光子探测系统中光纤对准装置及光纤对准方法 |
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