RU217971U1 - Low Power Broadband Microwave Superconducting Detector - Google Patents

Low Power Broadband Microwave Superconducting Detector Download PDF

Info

Publication number
RU217971U1
RU217971U1 RU2022115393U RU2022115393U RU217971U1 RU 217971 U1 RU217971 U1 RU 217971U1 RU 2022115393 U RU2022115393 U RU 2022115393U RU 2022115393 U RU2022115393 U RU 2022115393U RU 217971 U1 RU217971 U1 RU 217971U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
waveguide
detector
microwave
superconducting
power broadband
Prior art date
Application number
RU2022115393U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Виктор Баирович Лубсанов
Владимир Леонидович Гуртовой
Александр Владимирович Семенов
Владимир Николаевич Антонов
Олег Владимирович Астафьев
Original Assignee
Виктор Баирович Лубсанов
Filing date
Publication date
Application filed by Виктор Баирович Лубсанов filed Critical Виктор Баирович Лубсанов
Application granted granted Critical
Publication of RU217971U1 publication Critical patent/RU217971U1/en

Links

Images

Abstract

Использование: для регистрации ультраслабых потоков фотонов микроволнового диапазона длин волн в системах интегральной квантовой оптики. Сущность полезной модели заключается в том, что широкополосный микроволновый сверхпроводниковый детектор малой мощности, включающий в себя подложку из кремния, контактную площадку и волновод из металла Al, чувствительный мостик из сверхпроводниковой двухслойной пленки TiPt, замыкающий волновод на землю. Технический результат: увеличение эффективности детектирования, улучшение отношения сигнал/шум. 3 ил.

Figure 00000001
Usage: for registration of ultraweak photon fluxes of the microwave range of wavelengths in systems of integrated quantum optics. The essence of the utility model lies in the fact that a low-power broadband microwave superconducting detector includes a silicon substrate, a contact pad and a waveguide made of Al metal, a sensitive bridge made of a superconducting two-layer TiPt film, which closes the waveguide to the ground. EFFECT: increased detection efficiency, improved signal-to-noise ratio. 3 ill.
Figure 00000001

Description

Полезная модель относится к устройствам регистрации ультраслабых потоков фотонов микроволнового диапазона длин волн в системах интегральной квантовой оптики.The utility model relates to devices for detecting ultraweak microwave photon fluxes in integrated quantum optics systems.

Однофотонные детекторыSingle photon detectors

По результатам патентного поиска, проводимого по ключевым словам и рубрикам МПК по странам: США, Россия, Китай, Япония, Европейское Сообщество на Web-сайтах стран поиска и патентного фонда Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, найдены следующие патенты.According to the results of a patent search conducted by keywords and headings of the IPC in the countries: USA, Russia, China, Japan, the European Community on the websites of the search countries and the patent fund of the Federal Service for Intellectual Property, Patents and Trademarks, the following patents were found.

1. Патент US 20220057261 (опубликован 19.12.2018, G01J-001/44) «Устройство и метод обнаружения отдельных микроволновых фотонов» предлагает использование двухуровневой квантовой системы. Попадание фотона в такую систему будет переводить ее в возбужденное состояние, что предлагается отслеживать.1. Patent US 20220057261 (published 12/19/2018, G01J-001/44) "Device and method for detecting individual microwave photons" proposes the use of a two-level quantum system. The hit of a photon in such a system will transfer it to an excited state, which is proposed to be monitored.

Несмотря на то, что двухуровневая квантовая система способна различать слабые потоки фотонов, по принципиальным причинам она не может быть использована для регистрации фотонов в широком диапазоне микроволновых длин волн.Despite the fact that a two-level quantum system is capable of distinguishing weak photon fluxes, for fundamental reasons it cannot be used to detect photons in a wide range of microwave wavelengths.

2. Патент US 10210460 (опубликован 11.10.2016, GO6N 99/002) «Высокоточное пороговое обнаружение одиночных микроволновых фотонов с использованием квантового неразрушающего фотонного детектора». Детектирующая система построена вокруг детектора одиночных микроволновых фотонов, в реализации детектора используется Джозефсоновский контакт, четвертьволновые и полуволновые резонаторы.2. Patent US 10210460 (published 10/11/2016, GO6N 99/002) "High-precision threshold detection of single microwave photons using a quantum non-destructive photon detector." The detection system is built around a detector of single microwave photons; the detector is implemented using a Josephson contact, quarter-wave and half-wave resonators.

Несмотря на то, что описанный детектор может работать в однофотонном режиме, по принципиальным причинам он не может быть использован для регистрации фотонов в широком диапазоне микроволновых длин волн.Despite the fact that the described detector can operate in the single-photon mode, for fundamental reasons it cannot be used to detect photons in a wide range of microwave wavelengths.

3. Патент CN 107091687 B (опубликован 08.08.2018, G01J-011/00) «Микроволновый однофотонный детектор, способ обнаружения и способ его получения». Изобретение описывает сверхпроводящую микросхему, в которой в плечи разветвителя мощности интегрированы по Джозефсоновскому контакту. Предлагается сравнивать статистику по многократным низкочастотным измерениям Джозефсоновских контактов.3. Patent CN 107091687 B (published on 08.08.2018, G01J-011/00) "Microwave single-photon detector, method of detection and method of obtaining it." The invention describes a superconducting microcircuit, in which the arms of the power splitter are integrated with a Josephson junction. It is proposed to compare the statistics for multiple low-frequency measurements of Josephson junctions.

Несмотря на то, что описанный детектор способен работать в однофотонном режиме, его характеристики существенно ограничены по принципиальным причинам.Despite the fact that the described detector is capable of operating in the single-photon mode, its characteristics are significantly limited for fundamental reasons.

4. Патент US 7049593 (опубликован 28.07.2000, G01J-001/02) «Сверхпроводящий однофотонный детектор» предлагает использование сверхпроводящей полоски, смещенной вблизи ее критического тока. При регистрации фотона видимого или инфракрасного диапазона длин волн происходит перегрев сверхпроводящей полоски, регистрируемый электроникой.4. Patent US 7049593 (published 28.07.2000, G01J-001/02) "Superconductive Single Photon Detector" proposes the use of a superconducting strip biased near its critical current. When a photon is registered in the visible or infrared wavelength range, the superconducting strip overheats, which is recorded by electronics.

Изобретение работает в другом частотном диапазоне и не чувствительно к микроволновому сигналу.The invention operates in a different frequency range and is not sensitive to the microwave signal.

5. Патент JP 2010109697 (опубликован 30.10.2008, G01J-001/02) «Детектор микроволновых фотонов и способ детектирования» предлагает использование двухуровневой квантовой системы. Как только двухуровневая система возбуждается вследствие падения микроволнового фотона, отклик резонатора на считывание имеет непрерывные изменения, которые детектируются электроникой.5. JP 2010109697 (published on 10/30/2008, G01J-001/02) "Microwave photon detector and detection method" proposes the use of a two-level quantum system. Once the two-level system is excited due to the incidence of a microwave photon, the resonator's readout response has continuous changes that are detected by the electronics.

Несмотря на то, что двухуровневая квантовая система способна работать в однофотонном режиме, по принципиальным причинам она может детектировать фотоны в узком частотном диапазоне, т.е. система не может быть использована для регистрации фотонов в широком диапазоне микроволновых длин волн.Despite the fact that a two-level quantum system is capable of operating in a single-photon mode, for fundamental reasons it can detect photons in a narrow frequency range, i.e. the system cannot be used to detect photons in a wide range of microwave wavelengths.

6. Наиболее близкий аналог описан в патенте US 9255839 (20.09.2010, G01J-001/44) «Детектор одиночных микроволновых фотонов, распространяющихся в волноводе». Изобретение описывает систему, состоящую из сверхпроводящего волновода и мостика из нормального металла, согласованного импедансом с волноводом и закорачивающего его на металлизированное окружение. Вместо нормального металла в качестве материала для мостика могут быть использованы полупроводниковая нанопроволока, графеновый лист или углеродная нанотрубка. При попадании микроволнового фотона в такую систему, он будет поглощен металлическим мостиком, что приведет к микроскопическому увеличению температуры в материале, это изменение температуры предлагается отслеживать. Детектор работает при температуре ниже критической температуры сверхпроводящего волновода.6. The closest analogue is described in US patent 9255839 (20.09.2010, G01J-001/44) "Detector of single microwave photons propagating in a waveguide". The invention describes a system consisting of a superconducting waveguide and a normal metal bridge impedance matched to the waveguide and shorting it to a metalized environment. Instead of a normal metal, a semiconductor nanowire, graphene sheet, or carbon nanotube can be used as the material for the bridge. When a microwave photon enters such a system, it will be absorbed by the metal bridge, which will lead to a microscopic increase in temperature in the material; this temperature change is proposed to be monitored. The detector operates at a temperature below the critical temperature of the superconducting waveguide.

Основным недостатком ближайшего аналога изобретения является то, что, благодаря используемой в изобретении топологии, детектор обладает высокой скоростью темнового счета. Высокая скорость темнового счета появляется в результате собственных шумов детектора - ложные срабатывания, которые объясняются самим принципом работы детектора. Вторым недостатком является меньшая рабочая полоса частот: выше 10 ГГц.The main disadvantage of the closest analogue of the invention is that, due to the topology used in the invention, the detector has a high dark count rate. The high rate of the dark count appears as a result of the detector's own noise - false positives, which are explained by the very principle of the detector's operation. The second disadvantage is the smaller operating frequency band: above 10 GHz.

На фиг.1 представлен широкополосный микроволновый сверхпроводниковый детектор малой мощности. В устройстве использована подложка кремния (1). На ней расположены алюминиевые контактная площадка с волноводом (2) и металлизированное окружение (3), титан (4) - платиновый (5) мостик закорачивает волновод на металлизированное окружение. Вместо титана может использоваться другой сверхпроводник с малой сверхпроводящей щелью, вместо платины - благородный метал. Для съема электрического сигнала служит контактная площадка (2).Figure 1 shows a low power broadband microwave superconducting detector. The device uses a silicon substrate (1). It contains an aluminum pad with a waveguide (2) and a metallized environment (3), titanium (4) - a platinum (5) bridge short-circuits the waveguide to the metallized environment. Instead of titanium, another superconductor with a small superconducting gap can be used; instead of platinum, a noble metal can be used. A contact pad (2) is used to pick up the electrical signal.

Для понимания принципа работы устройства, на фиг.2 показан его вид сверху. Микроволновое излучение и тестирующий сигнал подаются в волновод (2) и достигают титан (4) - платинового (5) мостика в связи с согласованностью импеданса мостика и волновода. Микроволновое излучение разрушает счетное количество куперовских пар на мостике, вследствие чего изменяется кинетическая индуктивность мостика, что отражается в изменении его импеданса, такое изменение импеданса измеряется с помощью отраженного от мостика тестирующего сигнала, имеющего частоту ниже щели титан-платинового мостика.To understand the principle of operation of the device, figure 2 shows its top view. Microwave radiation and a test signal are fed into the waveguide (2) and reach the titanium (4) - platinum (5) bridge due to the consistency of the impedance of the bridge and the waveguide. Microwave radiation destroys a countable number of Cooper pairs on the bridge, as a result of which the kinetic inductance of the bridge changes, which is reflected in a change in its impedance, such a change in impedance is measured using a testing signal reflected from the bridge, which has a frequency below the gap of the titanium-platinum bridge.

Поперечный разрез структуры (А-А) показан на фиг.3. Для удобства на всех фигурах одинаковые цифры показывают одинаковые элементы.A cross section of the structure (A-A) is shown in Fig.3. For convenience, in all figures, the same numbers indicate the same elements.

Техническим результатом представленной полезной модели, позволяющим значительно повысить характеристики детектора, являются:The technical result of the presented utility model, which allows to significantly improve the characteristics of the detector, are:

увеличение эффективности детектирования;increase in detection efficiency;

улучшения отношение сигнал/шум.improving the signal-to-noise ratio.

Claims (1)

Широкополосный микроволновый сверхпроводниковый детектор малой мощности, включающий в себя подложку из кремния, контактную площадку и волновод из металла Al, чувствительный мостик из сверхпроводниковой двухслойной плёнки TiPt, замыкающий волновод на землю. Low-power broadband microwave superconducting detector, which includes a silicon substrate, a contact pad and a waveguide made of Al metal, a sensitive bridge made of a superconducting two-layer TiPt film, which closes the waveguide to the ground.
RU2022115393U 2022-06-08 Low Power Broadband Microwave Superconducting Detector RU217971U1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU217971U1 true RU217971U1 (en) 2023-04-27

Family

ID=

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6710343B2 (en) * 2000-03-22 2004-03-23 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Photon detector
RU2300825C1 (en) * 2005-12-21 2007-06-10 Закрытое акционерное общество "Сверхпроводниковые нанотехнологии" High-speed single-photon superconductor detector
US9255839B2 (en) * 2010-09-20 2016-02-09 Aalto-Korkeakoulusaatio Detector of single microwave photons propagating in a guide
RU2609729C1 (en) * 2015-11-02 2017-02-02 Закрытое акционерное общество "Сверхпроводниковые нанотехнологии" Superconducting single-photon detector having controlled memory effect
RU176010U1 (en) * 2017-05-17 2017-12-26 Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Fiber-optic superconducting single-photon detector
JP2020016553A (en) * 2018-07-26 2020-01-30 株式会社東芝 Radiation detector and radiation detection device

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6710343B2 (en) * 2000-03-22 2004-03-23 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Photon detector
RU2300825C1 (en) * 2005-12-21 2007-06-10 Закрытое акционерное общество "Сверхпроводниковые нанотехнологии" High-speed single-photon superconductor detector
US9255839B2 (en) * 2010-09-20 2016-02-09 Aalto-Korkeakoulusaatio Detector of single microwave photons propagating in a guide
RU2609729C1 (en) * 2015-11-02 2017-02-02 Закрытое акционерное общество "Сверхпроводниковые нанотехнологии" Superconducting single-photon detector having controlled memory effect
RU176010U1 (en) * 2017-05-17 2017-12-26 Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Fiber-optic superconducting single-photon detector
JP2020016553A (en) * 2018-07-26 2020-01-30 株式会社東芝 Radiation detector and radiation detection device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10454016B2 (en) Number-resolving photon detector with graphene-insulating-superconducting junction
JP5684487B2 (en) Bolometer detector for detecting electromagnetic radiation in the infrared to terahertz frequency band, and array detection apparatus having such a detector
US10121926B2 (en) Graphene-based detector for W-band and terahertz radiations
Virtanen et al. Josephson photodetectors via temperature-to-phase conversion
JP5973445B2 (en) Detector of single microwave photons propagating in a guide
RU2327253C2 (en) Quick-response superconducting single photon detector with stripe resistors
US7078695B2 (en) Superconducting antenna-coupled hot-spot microbolometer, methods for its manufacture and use, and a bolometric imaging arrangement
RU217971U1 (en) Low Power Broadband Microwave Superconducting Detector
Zhang et al. Development of titanium-based transition-edge single-photon detector
Doerner et al. Operation of superconducting nanowire single-photon detectors embedded in lumped-element resonant circuits
RU2346357C1 (en) Superconducting photon-counting detector for visible and infrared spectral range
Di Battista et al. Ultra-low carrier density superconducting bolometers with single photon sensitivity based on magic-angle twisted bilayer graphene
Zhang et al. Single photon detectors based on superconducting nanowires over large active areas
US12098949B1 (en) Integrated superconducting nanowire digital photon detector
Paolucci Nonlocal Superconducting Single-Photon Detector
JP5076051B2 (en) Electromagnetic wave detecting element and electromagnetic wave detecting device using the same
Fukuda et al. Titanium based transition edge microcalorimeters for optical photon measurements
JPH05264343A (en) Far-infrared spectral light detector
Sharma et al. Absorption edge determination of thick GaAs wafers using surface photovoltage spectroscopy
JP2012109652A (en) Terahertz detector
US11796579B2 (en) Superconducting electromagnetic wave sensor
JP5290505B2 (en) Manufacturing method of optical sensor
JP2004045339A (en) Thermal infrared sensor, radiation thermometer, and method for forming infrared absorption film
Dégardin et al. Semiconducting Y-Ba-Cu-O thin film detectors at room temperature: front end and back end design issues from near to far infrared
JP2004286715A (en) Superconductive radiation detector