CN110617881B - 一种超导相变边缘单光子探测器的性能表征方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种超导相变边缘单光子探测器的性能表征方法，基于超导相变边缘单光子探测器的性能表征装置实现，所述性能表征装置通过集成不同并联电阻的超导SQUID放大器读出对应超导TES单光子探测器的电流信号，从而获得超导TES单光子探测器的主要性能参数。可在一次实验中，同时表征多只超导TES单光子探测器的特性，或针对同一超导TES单光子探测器，利用集成较大并联电阻的超导SQUID放大器测量较大电阻区的特性，随后利用集成较小并联电阻的超导SQUID放大器测量较小电阻区的特性，从而表征其更加完整的特性。在避免多光纤同时对准多个超导TES单光子探测器挑战的同时，也可以显著提高对超导TES单光子探测器的研发效率，且使用操作简便、性能可靠、配置灵活，适合推广使用。
Description
技术领域
本发明属于单光子探测技术领域，尤其涉及一种可见光/近红外波段单光子探测技术，具体的说，是一种光学/近红外超导相变边缘(Transition edge sensor，TES)单光子探测器的性能表征装置。
背景技术
红外/可见光探测是一种非常重要的技术，在量子信息、量子通信及天文领域具有非常重要的应用前景。常温探测器(如硅光电二极管)可以探测高强度的光，其探测效率接近100％，可探测的功率从几十毫瓦到皮瓦量级，但是这些探测器不能探测单个光子。光电倍增管是目前最重要的单光子探测器，但是在可见光波段其效率较低，在1550nm通信波段甚至更低。InGaAs雪崩二极管在此波段的效率约为20％，但是其暗计数率高达几百kHz。为了克服这个问题，采用门控电压的模式并同步期望的光学输入信号，在探测效率和暗计数方面有一定程度的改进，但是这种方法不能连续探测量子态。目前在通信波段能够实现高量子效率和低暗计数的探测技术是超导单光子探测器，包括超导纳米线单光子探测器(Superconducting nanowire single photon detector,SNSPD)和超导相变边缘单光子探测器(Superconducting transition edge sensor,TES)。超导SNSPD探测器可以实现高探测效率、低暗计数和高计数率，但是本质上不具有光子数分辨能力。超导TES(Ttransitionedge sensor，TES)单光子探测器具有接近理想的探测效率和光子数分辨能力，在量子信息领域获得了广泛的应用。超导TES单光子探测器由一层超导薄膜组成，工作温度低于临界温度，电子与声子的相互作用降低。超导薄膜中的电子吸收光子后其温度迅速升高，在恒压偏置下产生电流脉冲，随后通过超导SQUID(Superconducting quantum interferencedevice)低噪声放大器读出。
1998年基于钨膜的超导TES探测器成功探测到光学/近红外波段的单光子，其能量分辨率为0.15eV，在1310nm和1550nm波长的探测效率约为20％。将超导薄膜嵌入光学腔体中，可以进一步提高光学耦合效率。光学腔体由底部的反射镜、超导薄膜和顶部的防反射膜(也叫增透膜)组成。反射镜(包括金属反射镜和介质反射镜)中介质层的厚度约为四分之一波长，防反射层使超导TES探测器与自由空间实现阻抗匹配。通过优化介质层和超导薄膜的厚度，超导TES单光子探测器的探测效率可以提高到90％以上。光子数分辨能力主要由超导TES单光子探测器的能量分辨率和待探测的光子能量决定。为了实现光子数可分辨，要求能量分辨率小于光子能量。因此，在波长确定(即光子能量确定)的情况下，需要降低能量分辨率。超导TES单光子探测器的能量分辨率(ΔEFWHM)主要由超导薄膜的热容(C)和临界温度(TC)决定：
其中kB是Boltsman常数，αI是探测器的温度灵敏度系数。TC主要由所用的超导材料确定，可以通过工艺参数适当调节。此外也可以利用超导/金属双层膜的邻近效应调控临界温度。比如Ti/Au双层膜的临界温度在0.1K～0.4K范围之间可调控。为了降低热容以提高能量分辨率，对于临界温度约为100mK的钨超导体，其有效面积可以做到25μm×25μm。而对于临界温度约为300mK的钛超导体，有效面积需要减小到10μm×10μm甚至更小，以保证其能量分辨率小于所探测的光子能量。
在超导TES单光子探测器的性能表征中，通常在制冷机中安装一套读出电路和一根光纤，一次实验测量一只超导TES单光子探测器的性能。为了加快超导TES单光子探测器的研制速度，美国国家标准计量局(NIST)在同一片基板上设计了的4只超导TES单光子探测器，相互之间的距离为几十微米，在如此小的距离无法同时放置两根光纤，因此一次实验只能测量一只超导TES单光子探测器的光学特性。意大利的研究小组在一片基板上制备了四只超导TES单光子探测器，器件1与器件3之间的距离为1750μm，器件2与器件4之间的距离也为1750μm。请商业公司定制了光纤阵列，保证其中的两根光纤距离为1750μm，从而可以同时对准两只超导TES单光子探测器。但是在封装过程中，需要高放大倍数的立体显微镜、三维精密位移台和加热台，以便调节光纤阵列的位置使其与超导TES单光子探测器对准，然后通过加热台熔化低温焊锡固定。要求显微镜从45度方向观察光纤和超导TES单光子探测器，结构非常复杂，而且封装难度很大，需要花费很长时间。
发明内容
针对现有技术存在状况，本发明的技术目的是提供一种易于实现且能高效对准的超导相变边缘单光子探测器的性能表征方法，以提高研发效率。
本发明提供的技术方案为：
一种超导相变边缘单光子探测器的性能表征方法，其特征在于：
所述性能表征方法基于性能表征装置实现，所述性能表征装置包括多通道超导放大器芯片、器件座和光纤座；
所述多通道超导放大器芯片设有两个以上的放大通道，每个放大通道内均设有单独的超导SQUID放大器，根据放大通道连接的超导TES单光子探测器的正常态电阻值，通道内超导SQUID放大器与合适阻值的并联电阻R连接；
所述多通道超导放大器芯片上设有0.2mΩ、1.8mΩ、18mΩ和180mΩ的单元电阻，所述并联电阻R由一个单元电阻或多个单元电阻通过引线连接构成，用于表征不同正常态电阻值的超导TES单光子探测器；
所述器件座上设有嵌入超导TES单光子探测器芯片的安装槽，以及将超导TES单光子探测器芯片固定在安装槽中的限位机构；所述光纤座上设有光纤接口，用于连接光纤；器件座与光纤座与上设有对应的对准和锁止机构，将器件座与光纤座封装在一起后，光纤的发射端正对准超导TES单光子探测器芯片上超导TES单光子探测器的有效区域；所述对准和锁止机构包括分别设置在器件座、光纤座的两侧，且位置对应的多组螺孔，器件座、光纤座的封装固定通过与之适配的螺钉连接实现；
所述性能表征方法包括以下步骤：
1)根据待表征的超导TES单光子探测器的正常态电阻值，利用所述多通道超导放大器芯片的上单元电阻，通过引线连接，调制出满足TES单光子探测器性能表征实验恒压偏置条件的多个并联电阻R，所述的多个并联电阻R具有不同的阻值，并分别与不同放大通道的超导SQUID放大器连接；
2)封装光纤与超导TES单光子探测器芯片：将超导TES单光子探测器芯片固定于器件座中，将器件座固定在显微镜平台上；将光纤固定于光纤座中，将光纤座固定在二维精密位移台上，通过二维精密位移台移动光纤座，使光斑与超导TES单光子探测器的有效区域重叠实现精确对准后，拧紧螺钉保证光纤与超导TES单光子探测器芯片的位置固定不变；
3)将封装好的光纤与超导TES单光子探测器芯片安装在制冷机中，将超导TES单光子探测器芯片通过引线与多通道超导放大器芯片其一放大通道的电路连接，使超导TES单光子探测器与超导SQUID放大器的输入电感L串联，该通道内的并联电路R并接在超导TES单光子探测器和输入电感L的两端；
4)在完成一次超导TES单光子探测器性能表征实验的测量后，切换放大通道再次测量，利用不同阻值的并联电阻R进行对同一超导TES单光子探测器芯片进行多次测量，从而实现对超导TES单光子探测器的完整性能表征。
在上述方案的基础上，进一步改进或优选的方案还包括：
进一步的，所述器件座上的限位机构为分设于安装槽两侧的弹簧卡片，封装器件座与光纤座时，所述弹簧卡片的一端可旋转或可拆卸的固定在器件座的内表面上，另一端压在超导TES单光子探测器芯片边缘处。
进一步的，通过引线的连接，利用所述单元电阻实现0.2mΩ、2mΩ、20mΩ或200mΩ的并联电阻。
进一步的，光纤插入所述接口中后，通过胶体固定在接口中，光纤发射端的端面与光纤座的内表面平齐。
进一步的，所述超导TES单光子探测器芯片与多通道超导放大器芯片通过超导双绞线连接。
有益效果：
本发明中方法采用的超导相变边缘单光子探测器的性能表征装置，通过集成不同并联电阻的超导SQUID低噪声放大器(本文简称为，超导SQUID放大器)读出对应超导TES单光子探测器的电流信号，从而获得超导TES单光子探测器的主要性能参数。可在一次实验中，同时表征多只超导TES单光子探测器的特性，或针对同一超导TES单光子探测器，利用集成较大并联电阻的超导SQUID放大器测量较大电阻区的特性，随后利用集成较小并联电阻的超导SQUID放大器测量较小电阻区的特性，从而表征其更加完整的特性。在避免多光纤同时对准多个超导TES单光子探测器挑战的同时，也可以显著提高针对超导TES单光子探测器的研发效率，且使用操作简便、性能可靠、配置灵活。
附图说明
图1是具体实施例中，超导TES单光子探测器与双通道超导放大器芯片的电路连接示意图。
图2是具体实施例中，光纤与超导TES单光子探测器芯片的封装示意图。
具体实施方式
为了进一步阐明本发明的技术方案和原理，下面结合附图与具体实施例对本发明做详细的介绍。
一种超导相变边缘单光子探测器的性能表征装置，包括低温制冷机、多通道超导放大器芯片、器件座3、光纤座2、常温控制电路、光纤1、激光源、光衰减器等组成部分。
所述低温制冷机用于提供超导TES单光子探测器芯片4和超导SQUID放大器正常工作所需的低温环境，可选择稀释制冷机或者绝热去磁制冷机，使达到的最低工作温度低于100mK。
所述多通道超导放大器芯片设有多个放大通道，每个放大通道内分别设有独立的超导SQUID放大器。本实施例中以双通道超导放大器芯片(虚线框部分)为例介绍本发明，如图1、图2所示，所述双通道超导放大器芯片设有第一、第二两个放大通道，且两个放大通道内的超导SQUID放大器集成了不同阻值的并联电阻R。
所述双通道超导放大器芯片上设置了多个不同阻值的单元电阻，两通道的并联电阻R分别由一个或多个所述单元电阻串联组成。所述超导TES单光子探测器的正常态电阻值范围一般为0.1Ω～10Ω，设所述多个不同阻值的单元电阻包括0.2mΩ、1.8mΩ、18mΩ和180mΩ的电阻，则通过引线的连接，利用所述单元电阻可实现0.2mΩ、2mΩ、20mΩ或200mΩ的并联电阻R。
所述器件座3上设有嵌入超导TES单光子探测器芯片4的安装槽和固定超导TES单光子探测器芯片的限位机构，限位机构为分设于安装槽两侧的两个弹簧卡片，封装器件座3与光纤座2时，所述弹簧卡片的一端可旋转或可拆卸的固定在器件座的内表面上，另一端压在超导TES单光子探测器芯片4边缘处的非有效区域上，防止超导TES单光子探测器芯片4从安装槽中脱离。
所述光纤座2上设有光纤接口，用于连接光纤1。光纤1插入所述光纤接口中后，通过胶体固定在接口中，使光纤发射端的端面与光纤座2的内表面平齐。
所述器件座3与光纤座2与上设有对应的对准和锁止机构，如图2所示，所述对准和锁止机构包括分别设置在器件座3、光纤座2的左右两侧，且位置对应的两组螺孔，器件座3、光纤座2的封装固定通过与之适配的螺钉实现二者的连接。将器件座3与光纤座2封装在一起后，光纤1的发射端正对准超导TES单光子探测器芯片4上超导TES单光子探测器的有效区域。超导TES单光子探测器芯片4与光纤端面的距离可通过调节所述安装槽的深度控制。
所述超导TES单光子探测器芯片4通过超导双绞线与所述双通道超导放大器芯片连接，在某一通道中，超导TES单光子探测器与超导SQUID放大器的输入电感L串联，与对应的并联电路R并联，由偏置电流源供电。由于并联电阻R的阻值远小于超导TES单光子探测器的正常态电阻，因此电流的绝大部分流经并联电阻R，其上产生的电压等于输入电感L与超导TES单光子探测器串联的电压。因为输入电感L为超导材料制备(通常为铌，临界温度为9K)，在正常工作温度(小于5K)下没有电阻，其电压为零，因此并联电阻两端的电压等于超导TES单光子探测器的电压，从而实现恒压偏置。超导TES单光子探测器与输入电感L串联，流经二者的电流相等。输入电感L与超导SQUID放大器通过磁通耦合，从而读出超导TES单光子探测器的电流，表征其电流-电压特性。
在实验过程中，较大正常态电阻的超导TES单光子探测器连接到集成了较大并联电阻R的超导SQUID放大器上。通过常温控制电路记录超导TES单光子探测器的电流-电压特性，从而获得其电学特性(包括临界温度、传热指数、热导等)。超导TES单光子探测器与光纤精确对准。光源发出的光首先经过光衰减器衰减到单光子量级(即每个光脉冲中的光子数为一个或数个光子)，然后通过光纤引入制冷机中并照射到超导TES单光子探测器上。超导TES单光子探测器吸收光子后产生电流脉冲，经过超导SQUID放大器放大后输出到常温，从而获得超导TES单光子探测器的光学特性(脉冲上升时间、脉冲恢复时间、能量分辨率、可分辨光子数、暗计数等)。
实验过程：
一、光纤与超导TES单光子探测器芯片的封装过程：
将超导TES单光子探测器芯片4固定于器件座3中，将器件座3固定在显微镜平台上。将光纤1固定于光纤座2中，将光纤座1固定在二维精密位移台上。将光纤座2与器件座3进行初步对准，使激光源产生的光信号通过光纤1照射到超导TES单光子探测器芯片上，并透过超导TES单光子探测器芯片被显微镜接收形成一光斑。通过二维精密位移台移动光纤座2，使光斑与超导TES单光子探测器的有效区域重叠实现精确对准，最后拧紧螺钉保证光纤与超导TES单光子探测器芯片的位置固定不变。
二、利用双通道超导放大器芯片实现超导TES单光子探测器性能表征的过程：
1)封装好光纤与超导TES单光子探测器芯片安装在制冷机中，使芯片上的超导TES单光子探测器与双通道超导放大器芯片其一放大通道的超导SQUID放大器的输入电感L串联，然后与并联电阻R并联。设第一通道的超导SQUID放大器的并联电阻R1为200mΩ，第二通道超导SQUID放大器的并联电阻R2为20mΩ，而超导TES单光子探测器的电阻通常为数欧姆，从而实现超导TES单光子探测器的恒压偏置。
2)超导TES单光子探测器与某一通道超导SQUID放大器的输入电感L(第一通道输入电感为L1，第二通道输入电感为L2)串联，流经二者的电流相等。超导SQUID放大器将输入电感L产生的磁通信号转变为电压信号，再经过常温放大器放大后记录下来，扫描电流源输出的偏置电流并记录下输出电压随偏置电流的关系曲线，从而换算出超导TES单光子探测器的电流-电压曲线。
3)超导TES单光子探测器偏置在一固定电压下，处于超导转变区中。脉冲激光器产生的光信号通过光纤1照射到超导TES单光子探测器上瞬间改变其电子温度，其电阻相应发生变化。电阻的变化转换为电流的脉冲响应，随后由超导SQUID放大器读出，从而表征超导TES单光子探测器的光学脉冲响应。
4)超导TES单光子探测器的性能表征要求并联电阻的阻值远小于超导TES单光子探测器的正常态电阻，从而实现恒压偏置。因此集成较大并联电阻(如200mΩ)的超导SQUID放大器可以表征较大正常态电阻的超导TES单光子探测器的特性，而集成较小并联电阻(如20mΩ)的超导SQUID放大器则可以表征更小正常态电阻的超导TES单光子探测器的特性，从而实现不同类型超导TES单光子探测器的性能表征。
5)超导TES单光子探测器的电流响应率与偏置电压成反比，随着偏置电压的逐渐降低，工作电阻也相应减小。为了满足恒压偏置的条件，要求并联电阻R远小于工作电阻(通常要求工作电阻比并联电阻大100倍)。因此对于同一超导TES单光子探测器，可以通过两次实验测量得到其完整的电流-电压特性及电流响应率。第一次连接到集成较大并联电阻的超导SQUID放大器(通道一)，得到较大工作电阻部分(对应较大偏置电压)的特性，第二次连接到较小并联电阻的超导SQUID放大器(通道二)，得到较小工作电阻部分(对应较小偏置电压)的特性，从而实现超导TES单光子探测器的完整性能表征。
与现有技术相比，本实施例利用双通道超导放大器芯片，可以对两放大通道分别设置并联电阻R的参数，从而针对不同正常态电阻的超导TES单光子探测器都能实现恒压偏置。如果针对同一超导TES单光子探测器，则可以分为两次测量。第一次连接到集成较大并联电阻(如200mΩ)的超导SQUID放大器，测量超导TES单光子探测器在较大工作电阻区的特性；第二次连接到集成较小并联电阻(如20mΩ)的超导SQUID放大器，测量超导TES单光子探测器在较低工作电阻区的特性。对应两通道的超导TES单光子探测器芯片独立安装，分别实现与光纤的精确对准，从而避免了同时实现两根光纤对准两只超导TES单光子探测器的难题。另外，该方案还可以根据后续需求扩展到更多超导TES单光子探测器的同时性能表征，以及根据需要调节并联电阻从而实现更大正常态电阻范围的超导TES单光子探测器性能表征。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。
Claims (5)
1.一种超导相变边缘单光子探测器的性能表征方法，其特征在于：
所述性能表征方法基于性能表征装置实现，所述性能表征装置包括多通道超导放大器芯片、器件座和光纤座；
所述多通道超导放大器芯片设有两个以上的放大通道，每个放大通道内均设有单独的超导SQUID放大器，根据放大通道连接的超导TES单光子探测器的正常态电阻值，通道内超导SQUID放大器与合适阻值的并联电阻R连接；
所述多通道超导放大器芯片上设有0.2mΩ、1.8mΩ、18mΩ和180mΩ的单元电阻，所述并联电阻R由一个单元电阻或多个单元电阻通过引线连接构成，用于表征不同正常态电阻值的超导TES单光子探测器；
所述器件座上设有嵌入超导TES单光子探测器芯片的安装槽，以及将超导TES单光子探测器芯片固定在安装槽中的限位机构；所述光纤座上设有光纤接口，用于连接光纤；器件座与光纤座上设有对应的对准和锁止机构，将器件座与光纤座封装在一起后，光纤的发射端正对准超导TES单光子探测器芯片上超导TES单光子探测器的有效区域；所述对准和锁止机构包括分别设置在器件座、光纤座的两侧，且位置对应的多组螺孔，器件座、光纤座的封装固定通过与之适配的螺钉连接实现；
所述性能表征方法包括以下步骤：
1)根据待表征的超导TES单光子探测器的正常态电阻值，利用所述多通道超导放大器芯片上的 单元电阻，通过引线连接，调制出满足TES单光子探测器性能表征实验恒压偏置条件的多个并联电阻R，所述的多个并联电阻R具有不同的阻值，并分别与不同放大通道的超导SQUID放大器连接；
2)封装光纤与超导TES单光子探测器芯片：将超导TES单光子探测器芯片固定于器件座中，将器件座固定在显微镜平台上；将光纤固定于光纤座中，将光纤座固定在二维精密位移台上，通过二维精密位移台移动光纤座，使光斑与超导TES单光子探测器的有效区域重叠实现精确对准后，拧紧螺钉保证光纤与超导TES单光子探测器芯片的位置固定不变；
3)将封装好的光纤与超导TES单光子探测器芯片安装在制冷机中，将超导TES单光子探测器芯片通过引线与多通道超导放大器芯片其一放大通道的电路连接，使超导TES单光子探测器与超导SQUID放大器的输入电感L串联，该通道内的并联电路R并接在超导TES单光子探测器和输入电感L的两端；
4)在完成一次超导TES单光子探测器性能表征实验的测量后，切换放大通道再次测量，利用不同阻值的并联电阻R进行对同一超导TES单光子探测器芯片进行多次测量，从而实现对超导TES单光子探测器的完整性能表征。
2.根据权利要求1所述的一种超导相变边缘单光子探测器的性能表征方法，其特征在于，所述器件座上的限位机构为分设于安装槽两侧的弹簧卡片，封装器件座与光纤座时，所述弹簧卡片的一端可旋转或可拆卸的固定在器件座的内表面上，另一端压在超导TES单光子探测器芯片边缘处。
3.根据权利要求1所述的一种超导相变边缘单光子探测器的性能表征方法，其特征在于，通过引线的连接，利用所述单元电阻实现0.2mΩ、2mΩ、20mΩ或200mΩ的并联电阻。
4.根据权利要求1所述的一种超导相变边缘单光子探测器的性能表征方法，其特征在于，光纤插入所述接口中后，通过胶体固定在接口中，光纤发射端的端面与光纤座的内表面平齐。
5.根据权利要求1所述的一种超导相变边缘单光子探测器的性能表征方法，其特征在于，所述超导TES单光子探测器芯片与多通道超导放大器芯片通过超导双绞线连接。
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