CN113008392B - 门控超导单光子探测装置及方法 - Google Patents
门控超导单光子探测装置及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113008392B CN113008392B CN202110155912.6A CN202110155912A CN113008392B CN 113008392 B CN113008392 B CN 113008392B CN 202110155912 A CN202110155912 A CN 202110155912A CN 113008392 B CN113008392 B CN 113008392B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- signal
- photon
- superconducting
- bias current
- gated
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 104
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 14
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 claims abstract description 94
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 47
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 claims description 27
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 16
- 230000001629 suppression Effects 0.000 claims description 11
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 8
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims description 8
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims description 6
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 claims description 4
- 239000001307 helium Substances 0.000 claims description 3
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 10
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 9
- 230000006870 function Effects 0.000 description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 239000002784 hot electron Substances 0.000 description 6
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 3
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 3
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 3
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000010485 coping Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 238000005375 photometry Methods 0.000 description 1
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J11/00—Measuring the characteristics of individual optical pulses or of optical pulse trains
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Abstract
本发明属于微弱光探测技术领域，特别涉及一种门控超导单光子探测装置及方法，该装置包含：用于探测单光子信号的超导纳米线单光子探测器，及用于电流偏置超导纳米线单光子探测器的偏置器，所述偏置器包含用于产生直流偏置电流信号的直流偏置电流模块和用于通过外部触发信号产生门控偏置电流信号的门控偏置电流模块，在直流偏置电流信号上叠加门控偏置电流信号，将超导纳米线偏置在门控电流下以使超导纳米线单光子探测器交替工作于探测状态和单光子不敏感状态进而实现门控单光子探测。本发明有效解决高效率的门控单光子信号探测问题，大大降低门外噪声光子对有用光子探测的影响，具有较强实用性。
Description
技术领域
本发明属于微弱光探测技术领域，特别涉及一种门控超导单光子探测装置及方法。
背景技术
在量子信息、天文测光、大气测污、精密分析、高速现象检测、分子生物学、超高分辨率光谱学、非线性光学、高能物理、非破坏性物质分析、光时域反射等现代科学技术领域中，其核心科学问题之一都是极微弱光信号的检测，因此单光子探测器(SPD)在这些领域至关重要。目前SPD的实现方案有很多，其中光电倍增管(PMT)和硅雪崩光电二极管(Si-APD)主要工作于可见光波段，其发展已经比较成熟，但探测效率和重复频率较低。基于InGaAs/InP雪崩光电二极管(InGaAs/InP-APD)的单光子探测器则主要工作在近红外波段，目前已经在量子密钥分发等领域得到广泛应用，但其暗计数率、探测效率和后脉冲概率等性能指标也已经无法满足不断增长的应用需求。相比之下，基于纳米带状线临界超导特性的超导单光子探测器在暗计数、探测效率、重复频率、时间分辨率等性能指标表现突出，且响应波长覆盖可见光到近红外甚至太赫兹。超导单光子探测器基本工作原理是利用超薄超导材料的热点(HotSpot)效应。将超导纳米线偏置在电流略小于其临界电流附近。当一个光子入射到纳米线条上时，由于单个光子的能量比超导材料的能隙高2—3个数量级，一个光子能量就可以拆散大量的库珀对，从而形成大量的热电子，形成热点，进而使得局部纳米线条从超导态进入电阻态。热电子的能量可以通过电声子相互作用传递并弛豫后，重新回到超导库珀对状态。由于超导材料的热弛豫时间很短，因此当超导单光子探测器接收到一个单光子后，就会在器件两端产生一个高频电脉冲信号，由此实现单光子探测。超导单光子探测器的探测效率可达90％，暗计数率可低至1Hz水平，与其他单光子探测方案相比具有明显的优势，目前已经广泛应用到各相关领域的科学研究中，并逐步开始走向工程应用。
目前国内外商用超导单光子探测器均工作在自由运行模式，其偏置电流始终处于恒定值，只要超导单光子探测器从上一次的响应中恢复到了超导状态，就会一直处于单光子探测的就绪状态，此时任何时刻到达的光子，无论是信号光子还是噪声光子，都将使超导单光子探测器产生响应并输出探测信号。自由运行模式下超导单光子探测器无法实现门控单光子探测功能。然而，在有单光子探测需求的许多领域，信号光子通常是有时序规律的，一方面方便光子的产生、控制(如调制解调等)和处理，另一方面也可以在时序上有效区分信号光子和噪声光子。当我们采用自由运行模式下超导单光子探测器探测具有时序规律的信号光子，将对信号光子的探测带来以下不利影响：自由运行模式下超导单光子探测器不仅会对信号光子产生响应，对时序上区别于信号光子的噪声光子也会产生响应，由此到来了两个严重的问题：一是对噪声光子无差别响应导致了较高的探测错误率，使超导单光子探测器原本优异的低暗计数优势失去价值，为了解决该问题，目前的应对方法是对超导单光子探测器的输出信号进行符合计数处理，一方面增加了系统复杂度及应用成本，另一方面由于符合计数系统的性能现状，要么严重拉低探测系统的整体时钟频率，要么拉低探测系统的整体时间分辨率，使超导单光子探测器原本优异的高时钟频率和高时间分辨率优势失去价值。二是对噪声光子无差别响应导致了额外死时间问题，影响了有用的信号光子的探测。当自由运行模式下超导单光子探测器对时序上区别于信号光子的噪声光子产生响应时，由于由此到来了严重的探测误码率，使超导单光子探测器优异的低暗计数优势失去价值。
发明内容
为此，本发明提供一种门控超导单光子探测装置及方法，有效解决高效率的门控单光子信号探测问题，大大降低门外噪声光子对有用光子探测的影响。
按照本发明所提供的设计方案，一种门控超导单光子探测装置，包含：用于探测单光子信号的超导纳米线单光子探测器，及用于电流偏置超导纳米线单光子探测器的偏置器，所述偏置器包含用于产生直流偏置电流信号的直流偏置电流模块和用于通过外部触发信号产生门控偏置电流信号的门控偏置电流模块，在直流偏置电流信号上叠加门控偏置电流信号，将超导纳米线偏置在门控电流下以使超导纳米线单光子探测器交替工作于探测状态和单光子不敏感状态进而实现门控单光子探测。
作为本发明门控超导单光子探测装置，进一步的，所述门控偏置电流模块包含：用于识别外部触发信号的比较器，对外部触发信号进行脉宽整形的脉冲整形电路，及用于通过衰减生成门控偏置电流信号的衰减器。
作为本发明门控超导单光子探测装置，进一步地，外部触发信号还连接有用于门控偏置电流信号和单光子信号进行时序同步的时序控制模块。
作为本发明门控超导单光子探测装置，进一步地，还包含：用于抑制门控偏置电流信号干扰噪声的门控噪声抑制电路。
作为本发明门控超导单光子探测装置，进一步地，所述门控噪声抑制电路包含用于从耦合噪声中提取单光子响应信号的电压比较器。
作为本发明门控超导单光子探测装置，进一步地，还包含有：用于对单光子响应响应信号进行放大整形处理并输出固定宽度和幅度探测信号的信号处理模块。
作为本发明门控超导单光子探测装置，进一步地，所述信号处理模块包含：用于对单光子响应信号进行宽带低噪声放大处理的放大器，及用于对放大处理后的单光子响应信号进行比较鉴别整形处理的整形电路。
作为本发明门控超导单光子探测装置，进一步地，所述直流偏置电流模块设置有用于电位器和数模转换器，以输出可调节控制的直流偏置电流信号。
进一步地，基于上述的装置，本发明还提供一种门控超导单光子探测方法，包含如下内容：
将门控偏置电流信号叠加在直流偏置电流信号上，使超导纳米线交替工作在单光子探测状态与单光子不敏感状态，利用超导纳米线的热点效应，当超导纳米线偏置电流远小于临界电流时，处于单光子不敏感状态，可以有效排除当前时刻到达的噪声光子；当超导纳米线偏置电流略小于临界电流时，处于单光子敏感状态，门控单光子入射即可使超导纳米线从超导状态进入电阻探测状态并产生高频电脉冲信号，实现单光子探测。
作为本发明门控超导单光子探测方法，进一步地，用时序控制模块对外部触发信号进行延时，门控偏置电流与外部门控单光子信号同步，当外部门控单光子信号入射到超导纳米线时，使门控偏置电流处于波峰位置，超导纳米线进行单光子响应并输出单光子响应信号。
本发明的有益效果：
本发明采用门控电流偏置技术，使超导纳米线偏置在门控电流下，交替工作于单光子探测状态与单光子不敏感状态，并在输出端采用带阻滤波技术滤除门控电流带来的干扰，从而有效解决高效率的门控单光子信号探测问题，大大降低门外噪声光子对有用光子探测的影响，一方面降低单光子探测的错误率，有效发挥出超导单光子探测技术的低暗计数优势，充分保障了光子探测结果的可靠性；另一方面解决门外噪声光子响应导致的死时间问题，提高了有用光子探测效率，有效发挥出超导单光子探测技术的高探测效率优势；另外门控偏置技术还能有效提高超导单光子探测器的抗干扰能力，降低跳锁概率，提高探测系统的稳定性，具有较好的应用前景。
附图说明：
图1为实施例中门控超导单光子探测装置示意；
图2为实施例中门控偏置电流模块示意。
具体实施方式：
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚、明白，下面结合附图和技术方案对本发明作进一步详细的说明。
门控单光子信号：单光子通常是光经过不断的衰减产生的，在有单光子探测需求的许多领域，单光子信号通常是有时序规律的，一方面方便光子的产生、控制(如调制解调等)和处理，另一方面也可以在时序上有效区分信号光子和噪声光子。形象的说，这种具有时序规律的单光子信号如同需要经过一道时序上的门，只有当门打开时才会有单光子出现，因此称具有时序规律的单光子信号为门控单光子信号。超导单光子探测器：超导单光子探测器单的是基于纳米带状线临界超导特性实现的单光子探测器(SPD)，在暗计数、探测效率、重复频率、时间分辨率等性能指标表现突出，且响应波长覆盖可见光到近红外甚至太赫兹。超导单光子探测器基本工作原理是利用超薄超导材料的热点(HotSpot)效应，将超导纳米线偏置在电流略小于其临界电流附近。当一个光子入射到纳米线条上时，由于单个光子的能量比超导材料的能隙高2—3个数量级，一个光子能量就可以拆散大量的库珀对，从而形成大量的热电子，形成热点，进而使得局部纳米线条从超导态进入电阻态。热电子的能量可以通过电声子相互作用传递并弛豫后，重新回到超导库珀对状态。由于超导材料的热弛豫时间很短，因此当超导单光子探测器接收到一个单光子后，就会在器件两端产生一个高频电脉冲信号，由此实现单光子探测。超导单光子探测器的探测效率可达90％，暗计数率可低至1Hz水平，与其他单光子探测方案相比具有明显的优势，目前已经广泛应用到各相关领域的科学研究中，并逐步开始走向工程应用。本发明实施例，提供一种门控超导单光子探测装置，包含：用于探测单光子信号的超导纳米线单光子探测器，及用于电流偏置超导纳米线单光子探测器的偏置器，所述偏置器包含用于产生直流偏置电流信号的直流偏置电流模块和用于通过外部触发信号产生门控偏置电流信号的门控偏置电流模块，在直流偏置电流信号上叠加门控偏置电流信号，将超导纳米线偏置在门控电流下以使超导纳米线单光子探测器交替工作于探测状态和单光子不敏感状态进而实现门控单光子探测。
在直流偏置电流上叠加一个门控电流，当门控电流信号的波谷流过超导纳米线时，超导纳米线的总偏置电流远低于超导纳米线的临界电流，此时单光子入射到超导纳米线条上时，光子能量形成的热点只能使得纳米线条局部位置从超导态进入电阻态，但由于总偏置电流远低于超导纳米线的临界电流，总偏置电流从纳米线热点周边流过时无法将热点周边部位加热至电阻态，因此无法使整个纳米线从超导态转变为电阻态，故无法输出响应信号；当门控电流信号的波峰流过超导纳米线时，超导纳米线的总偏置电流非常接近超导纳米线的临界电流，此时一旦单光子入射到超导纳米线条上时，光子能量形成的热点首先使得纳米线条局部位置从超导态进入电阻态，总偏置电流只能从纳米线热点周边流过，而由于总偏置电流非常接近超导纳米线的临界电流，总偏置电流将把热点周边部位也加热至电阻态，进而使整个纳米线从超导态转变为电阻态，最后输出响应信号。门控偏置技术有效解决高效率的门控单光子信号探测问题，大大降低门外噪声光子对有用光子探测的影响，一方面降低单光子探测的错误率，有效发挥出超导单光子探测技术的低暗计数优势，充分保障光子探测结果的可靠性；另一方面解决门外噪声光子响应导致的死时间问题，提高了有用光子探测效率，有效发挥出超导单光子探测技术的高探测效率优势；另外门控偏置技术还能有效提高超导单光子探测器的抗干扰能力，降低跳锁概率，提高探测系统的稳定性。
作为本发明实施例中门控超导单光子探测装置，进一步的，所述门控偏置电流模块包含：用于识别外部触发信号的比较器，对外部触发信号进行脉宽整形的脉冲整形电路，及用于通过衰减生成门控偏置电流信号的衰减器。进一步地，外部触发信号还连接有用于门控偏置电流信号和单光子信号进行时序同步的时序控制模块。进一步地，还包含：用于抑制门控偏置电流信号干扰噪声的门控噪声抑制电路。进一步地，所述门控噪声抑制电路包含用于从耦合噪声中提取单光子响应信号的电压比较器。进一步地，还包含有：用于对单光子响应响应信号进行放大整形处理并输出固定宽度和幅度探测信号的信号处理模块。进一步地，所述信号处理模块包含：用于对单光子响应信号进行宽带低噪声放大处理的放大器，及用于对放大处理后的单光子响应信号进行比较鉴别整形处理的整形电路。进一步地，所述直流偏置电流模块设置有用于电位器和数模转换器，以输出可调节控制的直流偏置电流信号。
参见图1和2所示，超导纳米线，用于实现高效率的单光子探测，其基本原理是利用超薄超导材料的热点效应，当超导纳米线偏置电流略小于其临界电流时，单光子入射能使超导纳米线从超导态进入电阻态，并在两端产生一个高频电脉冲信号，由此实现单光子探测。低温恒温器，低温恒温器由氦气压缩机、GM制冷机、分子泵组、多级高真空恒温腔和温控器组成，用于给超导纳米线提供稳定的低温环境，使纳米线在没有光子入射时处于超导状态。直流偏置电流模块，用于产生直流偏置电流，为超导纳米线提供直流偏置电流，可通过电位器、数模转换器等进行调节控制，产生可调的高精度高稳定的直流电流。门控偏置电流模块，用于产生脉冲门控电流，使超导纳米线工作在门控偏置模式下，即通过门控电流偏置使超导纳米线交替工作于单光子探测状态与单光子不敏感状态，从而有效解决了高效率的门控单光子信号探测问题，大大降低了门外噪声光子对有用光子探测的影响，门控偏置电流模块由比较器将外部触发信号进行识别，再通过脉冲整形电路进行脉宽整形，最后通过衰减器获得峰值电流适当的门控偏置电流信号；门控噪声抑制电路，用于抑制门控偏置电流耦合到信号输出端的干扰噪声，从而实现微弱纳米线单光子响应信号的提取，由于门控偏置电流作用于超导纳米线时，也会耦合到信号输出端形成干扰噪声，该噪声幅度与微弱纳米线单光子响应信号相当，而且直接叠加在微弱纳米线单光子响应信号上，从而导致微弱纳米线单光子响应信号完全被淹没在噪声中，门控噪声抑制电路的功能正是有效抑制门控偏置电流耦合到信号输出端的干扰噪声，并将噪声中的微弱纳米线单光子响应信号提取出来；放大整形模块，包含放大器和整形电路，其中放大器用于对微弱纳米线单光子响应信号进行宽带低噪声放大，整形电路用于对放大后的单光子响应信号进行比较鉴别，精确提取单光子响应信号，并对单光子响应信号的脉宽幅度进行整形，输出宽度和幅度固定的探测信号。高精度时序控制模块，用于时序门控偏置电流与门控单光子信号的精密时序同步，使门控单光子信号正好在门控偏置电流的波峰位置到达超导纳米线，实现单光子的门控超导探测。
进一步地，基于上述的装置，本发明实施例还提供一种门控超导单光子探测方法，包含如下内容：
将门控偏置电流信号叠加在直流偏置电流信号上，使超导纳米线交替工作在单光子探测状态与单光子不敏感状态，利用超导纳米线的热点效应，当超导纳米线偏置电流远小于临界电流时，处于单光子不敏感状态，可以有效排除当前时刻到达的噪声光子；当超导纳米线偏置电流略小于临界电流时，处于单光子敏感状态，门控单光子入射即可使超导纳米线从超导状态进入电阻探测状态并产生高频电脉冲信号，实现单光子探测。进一步地，用时序控制模块对外部触发信号进行延时，门控偏置电流与外部门控单光子信号同步，当外部门控单光子信号入射到超导纳米线时，使门控偏置电流处于波峰位置，超导纳米线进行单光子响应并输出单光子响应信号。
具体实施步骤如下：
步骤一，纳米线制冷与低温恒温，使纳米线处于超导状态。参见附图1所示，上述的门控超导单光子探测装置通过低温恒温器对纳米线进行制冷与低温恒温，首先分子泵组对多级高真空恒温腔抽真空，阻止多级高真空恒温腔中的纳米线通过气体与外界环境进行热交换，从而保证制冷效率；其次氦气压缩机、GM制冷机与温控器协同工作，将纳米线制冷并恒温在临界温度以下，使纳米线在没有光子入射时处于超导状态。
步骤二，由外部输入触发信号，为门控超导单光子探测装置、门控单光子信号源以及其他外部设备提供同步触发信号。
步骤三，产生直流偏置电流和门控偏置电流，为超导纳米线交替工作于单光子探测状态与单光子不敏感状态。首先上述直流偏置电流模块产生直流偏置电流，并通过电位器、数模转换器等进行调节控制直流电流的大小；其次，上述门控偏置电流模块的比较器将外部触发信号进行识别，再通过脉冲整形电路进行脉宽整形，最后通过衰减器获得电流幅度稳定的脉冲门控电流信号；最后，通过偏置器将直流偏置电流和门控偏置电流加载在超导纳米线上。
步骤四，门控单光子信号入射。首先，通过上述高精度时序控制模块为外部门控单光子信号源提供触发信号，其次，外部门控单光子信号源产生光脉冲，光脉冲与上述门控超导单光子探测装置的门控偏置电流信号的时序对应；再次，外部门控单光子信号源将光脉冲衰减为门控单光子信号，并入射到门控超导单光子探测装置的超导纳米线上。
步骤五，门控偏置电流与外部门控单光子信号同步。通过门控超导单光子探测装置高精度时序控制模块，对门控超导单光子探测装置的门控触发信号进行精密延时，实现门控超导单光子探测装置的门控偏置电流与外部门控单光子信号的精密同步，使外部门控单光子信号入射到门控超导单光子探测装置的超导纳米线上时，门控偏置电流处于波峰位置，超导纳米线可实现高效单光子响应，并输出单光子响应信号。
步骤六，门控噪声抑制。所述步骤四中门控单光子同步入射到纳米线产生的单光子响应信号与门控偏置电流耦合噪声叠加在一起传输到上述门控噪声抑制电路，通过带输出锁存功能的电压比较器，将微弱纳米线单光子响应信号从噪声中提取出来。纳米线单光子响应信号放大整形。将上述步骤四提取微弱纳米线单光子响应信号传输至上述的放大整形模块，先通过放大器对微弱纳米线单光子响应信号进行宽带低噪声放大，再通过整形电路对放大后的单光子响应信号进行比较鉴别和整形，输出宽度和幅度固定的探测信号。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。
基于上述的方法或系统，本发明实施例所述的门控电流有多种形态，包括：方波门控电流、正弦波门控电流、脉冲电流、以及基于数模转换器参数的任意波形的门控电流。
基于上述的方法或系统，本发明实施例还提供一种网络设备，包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现上述的系统或执行上述的方法。
基于上述的系统，本发明实施例还提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行时实现上述的系统。
本发明实施例所提供的装置，其实现原理及产生的技术效果和前述系统实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述系统实施例中相应内容。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述系统实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、系统和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述系统的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种门控超导单光子探测装置，包含：用于探测单光子信号的超导纳米线单光子探测器，及用于电流偏置超导纳米线单光子探测器的偏置器，所述偏置器包含用于产生直流偏置电流信号的直流偏置电流模块和用于通过外部触发信号产生门控偏置电流信号的门控偏置电流模块，在直流偏置电流信号上叠加门控偏置电流信号，将超导纳米线偏置在门控电流下以使超导纳米线单光子探测器交替工作于探测状态和单光子不敏感状态进而实现门控单光子探测；
所述门控偏置电流模块包含：用于识别外部触发信号的比较器，对外部触发信号进行脉宽整形的脉冲整形电路，及用于通过衰减生成门控偏置电流信号的衰减器；
外部触发信号还连接有用于门控偏置电流信号和单光子信号进行时序同步的时序控制模块，利用时序控制模块对外部触发信号进行延时，使门控偏置电流信号与门控单光子信号同步，当门控单光子信号入射到超导纳米线时，门控偏置电流处于波峰位置，超导纳米线进行单光子响应并输出单光子响应信号；
还包含：用于抑制门控偏置电流信号干扰噪声的门控噪声抑制电路；
所述门控噪声抑制电路包含用于从耦合噪声中提取单光子响应信号的电压比较器；利用门控噪声抑制电路抑制门控偏置电流耦合到信号输出端的干扰噪声，并利用电压比较器将干扰噪声中的微弱纳米线单光子响应信号提取出来；
超导纳米线利用低温恒温器提供稳定低温环境，使超导纳米线在没有光子入射时处于超导状态，其中，低温恒温器由氦气压缩机、GM制冷机、分子泵组、多级高真空恒温腔和温控器组成。
2.根据权利要求1所述的门控超导单光子探测装置，其特征在于，还包含有：用于对单光子响应信号进行放大整形处理并输出固定宽度和幅度探测信号的信号处理模块。
3.根据权利要求2所述的门控超导单光子探测装置，其特征在于，所述信号处理模块包含：用于对单光子响应信号进行宽带低噪声放大处理的放大器，及用于对放大处理后的单光子响应信号进行比较鉴别整形处理的整形电路。
4.根据权利要求1所述的门控超导单光子探测装置，其特征在于，所述直流偏置电流模块设置有用于电位器和数模转换器，以输出可调节控制的直流偏置电流信号。
5.一种门控超导单光子探测方法，其特征在于，基于权利要求1所述的门控超导单光子探测装置实现，包含如下内容：
将门控偏置电流信号叠加在直流偏置电流信号上，使超导纳米线交替工作在单光子探测状态与单光子不敏感状态，利用超导纳米线的热点效应，当超导纳米线偏置电流远小于临界电流时，处于单光子不敏感状态，可以有效排除当前时刻到达的噪声光子；当超导纳米线偏置电流略小于临界电流时，处于单光子敏感状态，门控单光子入射即可使超导纳米线从超导状态进入电阻探测状态并产生高频电脉冲信号，实现单光子探测。
6.根据权利要求5所述的门控超导单光子探测方法，其特征在于，利用时序控制模块对外部触发信号进行延时，门控偏置电流与外部门控单光子信号同步，当外部门控单光子信号入射到超导纳米线时，使门控偏置电流处于波峰位置，超导纳米线进行单光子响应并输出单光子响应信号。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110155912.6A CN113008392B (zh) | 2021-02-04 | 2021-02-04 | 门控超导单光子探测装置及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110155912.6A CN113008392B (zh) | 2021-02-04 | 2021-02-04 | 门控超导单光子探测装置及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113008392A CN113008392A (zh) | 2021-06-22 |
| CN113008392B true CN113008392B (zh) | 2022-05-31 |
Family
ID=76385087
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110155912.6A Active CN113008392B (zh) | 2021-02-04 | 2021-02-04 | 门控超导单光子探测装置及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113008392B (zh) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110346054A (zh) * | 2019-06-14 | 2019-10-18 | 东南大学 | 一种采用微调电阻结构抑制门控尖峰噪声的单光子差分探测电路 |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5326081B2 (ja) * | 2006-03-06 | 2013-10-30 | 学校法人日本大学 | 光通信波長帯高速単一光子検出器 |
| GB2483518B8 (en) * | 2010-09-13 | 2015-07-22 | Toshiba Res Europ Ltd | A receiver for a quantum communication system |
| US9012860B2 (en) * | 2012-05-15 | 2015-04-21 | Princeton Lightwave, Inc. | Dual-SPAD-based single-photon receiver |
| JP2014049714A (ja) * | 2012-09-04 | 2014-03-17 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 超伝導ナノ細線単一光子検出装置 |
| CN103439012B (zh) * | 2013-09-13 | 2016-01-20 | 南京大学 | 适用于超导纳米线单光子探测器的室温读出电路 |
| CN107014495A (zh) * | 2017-03-20 | 2017-08-04 | 上海理工大学 | 超短脉冲门控的高速低噪声单光子探测器 |
| CN107167251B (zh) * | 2017-07-28 | 2023-08-11 | 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所 | 一种基于高频正弦门脉冲模式的单光子探测器 |
| CN108362389B (zh) * | 2018-02-02 | 2019-12-10 | 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 | 提高超导纳米线单光子探测器计数率的方法及系统 |
| CN108337088B (zh) * | 2018-02-08 | 2021-01-22 | 中国人民解放军战略支援部队信息工程大学 | 单纤融合量子密钥分发系统、方法及相关系统、方法 |
-
2021
- 2021-02-04 CN CN202110155912.6A patent/CN113008392B/zh active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110346054A (zh) * | 2019-06-14 | 2019-10-18 | 东南大学 | 一种采用微调电阻结构抑制门控尖峰噪声的单光子差分探测电路 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113008392A (zh) | 2021-06-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Brown et al. | Characterization of silicon avalanche photodiodes for photon correlation measurements. 2: Active quenching | |
| CN107271058B (zh) | 一种高速自反馈的单光子探测淬火控制电路及控制方法 | |
| CN103115688B (zh) | 频率可调谐的吉赫兹正弦门控近红外单光子探测器 | |
| Polyakov et al. | Quantum radiometry | |
| Jiang et al. | Miniaturized high-frequency sine wave gating InGaAs/InP single-photon detector | |
| Dreyling-Eschweiler et al. | Characterization, 1064 nm photon signals and background events of a tungsten TES detector for the ALPS experiment | |
| Fukuda et al. | Titanium superconducting photon-number-resolving detector | |
| Burenkov et al. | Investigations of afterpulsing and detection efficiency recovery in superconducting nanowire single-photon detectors | |
| CN113008392B (zh) | 门控超导单光子探测装置及方法 | |
| Kalachev | Pulse shaping during cavity-enhanced spontaneous parametric down-conversion | |
| Losev et al. | Dead time duration and active reset influence on the afterpulse probability of InGaAs/InP single-photon avalanche diodes | |
| Liu et al. | Design and characterization of free-running InGaAsP single-photon detector with active-quenching technique | |
| Andreoni et al. | Photon statistics in the macroscopic realm measured without photon counters | |
| Kück | Single photon sources for absolute radiometry–a review about the current state of the art | |
| CN220853883U (zh) | 基于自差分平衡的窄脉冲门控高速红外单光子探测器 | |
| CN107024289A (zh) | 一种低时间抖动的单光子探测器 | |
| You et al. | Single photon response of superconducting nanowire single photon detector | |
| Waldman et al. | Recombination radiation from landau states in impactionized GaAs | |
| Huang et al. | Design of APD Detector Circuit for Thomson Scattering System on J-TEXT Tokamak | |
| Liu et al. | Photon-number resolving and distribution verification using a multichannel superconducting nanowire single-photon detection system | |
| Wilson et al. | Superconducting tunnel junction detectors for extreme ultraviolet applications | |
| Westphal | On the performance of a high rate gamma spectroscopy system | |
| Ren et al. | Timing response of sinusoidal-gated Geiger mode InGaAs/InP APD | |
| Azzahrani et al. | Solitary vs Gaussian Waves Gating of InGaAs/InP Avalanche Photodiode to Stabilize Dark Count Rate as Excess Voltage Increases | |
| Miyamoto et al. | Sub-Geiger mode single-photon detector using a low-dark-current InGaAs avalanche photodiode |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |