CN110501066A - 一种基于雪崩纳米线结构的超导单光子成像器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于雪崩纳米线结构的超导单光子成像器，包括超导延迟区，所述超导延迟区包括延迟线和超导雪崩纳米线探测器，所述延迟线和超导雪崩纳米线探测器分开设置，所述超导雪崩纳米线探测器包括若干个探测单元，每个探测单元均包括若干个相互平行的平行纳米线。本发明探测器和延迟线分开，延迟线可以做粗，探测器可以做窄，因而在保证单光子响应性能的同时，增加成像器的视场，并降低大规模成像器件的制备难度；本发明首次把三单元超导雪崩纳米线探测器和延迟线结合起来，一方面实现探测器和延迟线之间的阻抗匹配，另一方面增强了输出信号的信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及一种超导单光子成像器，特别涉及一种基于雪崩纳米线结构的超导单光子成像器，适用于极弱光下成像。
背景技术
极弱光下的成像需要单光子灵敏度的探测器，超导纳米线单光子探测器相比于半导体计数的雪崩二极管单光子探测器在效率、时间抖动、光谱响应带宽更具性能优势。
目前，超导纳米线单光子探测器的大规模阵列的数字读出还无法实现。基于延迟线的超导单光子成像器，通过读取器件两端脉冲时间可以计算出光子响应的时间和位置，但是要制备成更好光响应窄纳米线非常困难。现有的成像器件，纳米线既充当探测器又充当延迟线。为了保证单光子探测性能，尤其是响应红外波段光子，纳米线通常需要被制备成小于100nm宽的均匀蜿蜒纳米线，制备难度较大。因此，采用此方式制备大面积成像器件以满足较大视场成像的需求，非常困难。
超导纳米线雪崩探测器是一种多根纳米线并联的结构，当一个纳米线响应光子失超之后，电流会流向其余纳米线，使得其余纳米线中的电流超过临界电流，因而失超，可以使输出信号有更高的信噪比。由于采用了多根纳米线并联的方式，超导纳米线雪崩探测器的微波特征阻抗随着并联纳米线的数目增加而降低。
发明内容
针对上述现有技术的问题和不足，本发明的目的是提供一种基于雪崩纳米线结构的超导单光子成像器，该成像器在横向和纵向上蜿蜒，可以同时探测光子的到达时间和位置，实现三维分辨。
本发明采用如下技术方案：
一种基于雪崩纳米线结构的超导单光子成像器，包括超导延迟区，所述超导延迟区包括延迟线和超导雪崩纳米线探测器，所述延迟线和超导雪崩纳米线探测器分开设置，所述超导雪崩纳米线探测器包括若干个探测单元，每个探测单元均包括若干个相互平行的平行纳米线。
更进一步地，还包括设置于超导延迟区两端的阻抗匹配的渐变线，探测光子的时间和位置由渐变线端读取的脉冲时间得到。
更进一步地，所述延迟线比探测器的平行纳米线宽。
更进一步地，所述探测单元包括三个1-50μm长、100nm宽、200nm间距的平行纳米线。
更进一步地，整个成像器设计从共面波导结构。
更进一步地，延迟线-探测器-延迟线的S21参数为0.98。
更进一步地，在器件上方集成了微透镜整列，将入射光聚焦到探测器上，提高了成像器件的探测效率。
本发明的有益效果如下：
1、探测器和延迟线分开，延迟线可以做粗，探测器可以做窄，因此可以在不增加探测器制备难度的前提下，提高成像器件的像素规模和视场。在保证单光子响应性能的同时，增加成像器的视场，并降低大规模成像器件的制备难度。
2、本发明首次把三单元超导雪崩纳米线探测器和延迟线结合起来，一方面实现探测器和延迟线之间的阻抗匹配，另一方面增强了输出信号的信噪比。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的扫描电子显微镜图；
图3为本发明中超导雪崩纳米线探测器的扫描电子显微镜图；
图4为本发明中延迟线到探测器的电流分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明基于雪崩纳米线结构的超导单光子成像器如图1和2所示，包括超导延迟区，所述超导延迟区包括延迟线2和超导雪崩纳米线探测器，所述延迟线2和超导雪崩纳米线探测器分开设置，如图3所示，所述超导雪崩纳米线探测器包括若干个探测单元3，每个探测单元3均包括若干个相互平行的平行纳米线3-1。该成像器还包括设置于超导延迟区两端的阻抗匹配的渐变线1，探测光子的时间和位置由渐变线1端读取的脉冲时间得到。在器件上方集成了微透镜整列4，将入射光聚焦到探测器上，提高了成像器件的探测效率。
本发明这是一个双端器件，探测光子的时间和位置可以由纳米线两端读取的脉冲时间计算得到。器件5的探测器和延迟线分开，延迟线比探测器宽从而可以避免光响应和暗计数，还能提高器件制备的成品率，从而为制备更大像素规模和更大视场的成像器提供制备上的可能性。每一个探测单元都是3个1-50μm长(优选5μm)、100nm宽、200nm间距的平行纳米线，即三单元超导纳米线雪崩探测器。这不仅可以提高输出脉冲的信噪比，而且可以实现与延迟线之间的阻抗匹配。整个成像器件设计服从共面波导结构。通过仿真，得到延迟线-探测器-延迟线的S21参数为0.98，实现了较好的阻抗匹配。整个器件的两端都是Klopfenstein渐变线，来将延迟线的高特征阻抗转化到读出电路的50Ω。所有拐角都进行了最优化设计，避免了电流阻塞效应(current crowding)对探测器临界电流的压缩，最大化偏置电流，从而提高探测效率和减少暗计数。
综上所述，本发明通过调整超导纳米线雪崩探测器的结构，以及微波延迟线的尺寸，就能够实现宽延迟线同超导纳米线雪崩探测器之间的阻抗匹配。由于采用了探测器同延迟线分离的方式，可以在不增加探测器制备难度的前提下，通过增加制备相对容易的宽延迟线，调整成像器件的像素规模、空间分辨率以及视场。由于宽延迟线此时并不响应单光子信号，为了保证整体成像器件的探测效率，每个超导纳米线雪崩探测器上都将集成微透镜结构，将入射光进行聚焦。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于雪崩纳米线结构的超导单光子成像器，其特征在于：包括超导延迟区(2)，所述超导延迟区(2)包括延迟线(2-1)和超导雪崩纳米线探测器，所述延迟线(2-1)和超导雪崩纳米线探测器分开设置，所述超导雪崩纳米线探测器包括若干个探测单元(3)，每个探测单元(3)均包括若干个相互平行的平行纳米线(3-1)。
2.根据权利要求1所述的一种基于雪崩纳米线结构的超导单光子成像器，其特征在于：还包括设置于超导延迟区(2)两端的阻抗匹配的渐变线(1)，探测光子的时间和位置由渐变线(1)端读取的脉冲时间得到。
3.根据权利要求1所述的一种基于雪崩纳米线结构的超导单光子成像器，其特征在于：所述延迟线(2-1)比探测器的平行纳米线(3-1)宽。
4.根据权利要求1所述的一种基于雪崩纳米线结构的超导单光子成像器，其特征在于：所述探测单元包括三个1-50μm长、100nm宽、200nm间距的平行纳米线。
5.根据权利要求1所述的一种基于雪崩纳米线结构的超导单光子成像器，其特征在于：整个成像器设计服从共面波导结构。
6.根据权利要求1所述的一种基于雪崩纳米线结构的超导单光子成像器，其特征在于：延迟线-探测器-延迟线的S21参数为0.98。
7.根据权利要求1所述的一种基于雪崩纳米线结构的超导单光子成像器，其特征在于：在器件上方集成微透镜阵列(4)，用于将入射光聚焦到探测器上。
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