RU2346357C1 - Superconducting photon-counting detector for visible and infrared spectral range - Google Patents

Superconducting photon-counting detector for visible and infrared spectral range Download PDF

Info

Publication number
RU2346357C1
RU2346357C1 RU2007123765/28A RU2007123765A RU2346357C1 RU 2346357 C1 RU2346357 C1 RU 2346357C1 RU 2007123765/28 A RU2007123765/28 A RU 2007123765/28A RU 2007123765 A RU2007123765 A RU 2007123765A RU 2346357 C1 RU2346357 C1 RU 2346357C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
strips
detector
superconducting
photon
stripes
Prior art date
Application number
RU2007123765/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Григорий Наумович Гольцман (RU)
Григорий Наумович Гольцман
Галина Меркурьевна Чулкова (RU)
Галина Меркурьевна Чулкова
Александр Александрович Корнеев (RU)
Александр Александрович Корнеев
Александр Валерьевич Дивочий (RU)
Александр Валерьевич Дивочий
Original Assignee
Закрытое акционерное общество "Сверхпроводниковые нанотехнологии" (ЗАО "СКОНТЕЛ")
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Закрытое акционерное общество "Сверхпроводниковые нанотехнологии" (ЗАО "СКОНТЕЛ") filed Critical Закрытое акционерное общество "Сверхпроводниковые нанотехнологии" (ЗАО "СКОНТЕЛ")
Priority to RU2007123765/28A priority Critical patent/RU2346357C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2346357C1 publication Critical patent/RU2346357C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
  • Measurement Of Radiation (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention relates to devices for radiation detection in visible and infrared spectral range in photon-counting mode. Superconducting photon-counting detector for visible and infrared spectral range comprises an ultrafast superconducting single-photon detector, which comprises contact pads on a substrate and at least two identical stripes made of superconducting film of specific thickness and width between the pads. Stripe ends are connected to contact pads so as to provide for parallel connection of the stripes and each stripe is connected to a contact pad via corresponding stripe resistor. All stripe resistors are identical, their resistance being 0.5÷500 Ohm. According to kinetic inductance of superconducting stripes, it is selected so that switching of one of the stripes to resistive state will not cause switching of other stripes, i.e. stripe current will not exceed critical current value. Ultrafast superconducting single-photon detector is connected to DC source and to HF signal pick-up circuit front end via bias adapter. HF output of bias adapter by means of the first coaxial cable is connected to microwave amplifiers and further, by means of the second coaxial cable, to input of amplitude analyser, which counts incidenting photons, which reach the ultrafast superconducting single-photon detector. The said invention provides for counting of photons reaching the detector simultaneously, with reduced detector response time.
EFFECT: counting of photons reaching the detector simultaneously, with reduced detector response time.
6 cl, 2 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к устройствам для регистрации излучения видимого и инфракрасного диапазонов излучения в режиме счета отдельных фотонов и может быть использовано в системах оптической волоконной связи на больших расстояниях, телекоммуникационных технологиях, в системах защиты передаваемой информации с помощью систем квантовой криптографии, диагностике и тестировании больших интегральных схем (БИС) в электронике, в спектроскопии одиночных молекул, анализе излучения квантовых точек в полупроводниковых наноструктурах, астрономии, медицине.The invention relates to devices for detecting radiation of the visible and infrared ranges of radiation in the counting mode of individual photons and can be used in optical fiber communication systems over long distances, telecommunication technologies, protection systems of transmitted information using quantum cryptography systems, diagnostics and testing of large integrated circuits (LSI) in electronics, in spectroscopy of single molecules, analysis of quantum dot radiation in semiconductor nanostructures, astronomer and medicine.

Уровень техникиState of the art

Из известных технических решений, близких по технической сущности к заявляемому объекту, является сверхпроводниковый однофотонный детектор видимого и инфракрасного диапазонов излучения на основе узкой полоски из тонкой сверхпроводящей пленки, находящейся при температуре существенно ниже критической и несущей транспортный ток, близкий к критическому (US 7049593, H01L 39/00, 10.03.2005). Принцип действия детектора основан на возникновении резистивной области в месте поглощения фотона и, как следствие, возникновении напряжения на контактах детектора. В другой реализации для улучшения согласования с падающим излучением полоска имеет форму меандра, покрывающего квадратную площадку со стороной в несколько микрон. Известны также различные методы повышения чувствительности детектора, а именно:Of the known technical solutions that are close in technical essence to the claimed object, is a superconducting single-photon detector of visible and infrared radiation ranges based on a narrow strip of thin superconducting film at a temperature significantly lower than the critical one and carrying a transport current close to critical (US 7049593, H01L 39/00, 03/10/2005). The principle of operation of the detector is based on the appearance of a resistive region at the site of absorption of the photon and, as a consequence, the occurrence of voltage across the detector contacts. In another implementation, to improve matching with incident radiation, the strip has the shape of a meander covering a square area with a side of several microns. Various methods are also known for increasing the sensitivity of the detector, namely:

1) добавление светоотражающего зеркала поверх меандра и нанесение антиотражающего покрытия на другую сторону прозрачной подложки (US 6812464, Н01L 39/00, 02.11.2004); при этом следует отметить, что устройство становится частотно-селективным, обеспечивая максимальную чувствительность только на одной определенной длине волны;1) adding a reflective mirror over the meander and applying an antireflection coating on the other side of the transparent substrate (US 6812464, H01L 39/00, 02/02/2004); it should be noted that the device becomes frequency-selective, providing maximum sensitivity at only one specific wavelength;

2) метод повышения квантовой эффективности, пригодный для случая использования детектора для бесконтактного метода тестирования больших интегральных схем (US 6828809 B1, G01R 31/302, 07.11.2004).2) a method for increasing quantum efficiency, suitable for the case of using a detector for the non-contact method of testing large integrated circuits (US 6828809 B1, G01R 31/302, 11/7/2004).

Известен также метод пространственного и временного детектирования одиночных фотонов, основанный на использовании смещаемой постоянным током сверхпроводниковой линии передачи в форме меандра, подключенной к регистрирующей схеме, считывание данных с которой осуществляется при помощи компьютера (US 7078694 В2, Н01L 27/18, 29.01.2006).There is also a known method of spatial and temporal detection of single photons, based on the use of a DC shifted superconductor transmission line in the form of a meander connected to a recording circuit, the data are read from a computer (US 7078694 B2, H01L 27/18, 01/29/2006) .

Недостатками известных устройств являютсяThe disadvantages of the known devices are

- низкое быстродействие, обусловленное большой величиной кинетической индуктивности длинной и узкой сверхпроводящей полоски;- low speed due to the large value of the kinetic inductance of a long and narrow superconducting strip;

- невозможность различения числа фотонов, одновременно упавших на детектор, поскольку амплитуда и длительность импульса напряжения фотоотклика у указанных устройств не зависят от числа фотонов.- the impossibility of distinguishing the number of photons simultaneously incident on the detector, since the amplitude and duration of the photoresponse voltage pulse of these devices are independent of the number of photons.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в разработке и создании быстродействующего сверхпроводникового однофотонного детектора, обладающего улучшенными параметрами.The problem to which the present invention is directed, is to develop and create a high-speed superconducting single-photon detector with improved parameters.

Технический результат заключается в обеспечении возможности регистрации числа фотонов, одновременно упавших на детектор, при одновременном повышении быстродействия детектора.The technical result consists in providing the possibility of detecting the number of photons simultaneously incident on the detector, while increasing the speed of the detector.

Технический результат достигается тем, что в известном сверхпроводниковом фотонном детекторе видимого и инфракрасного диапазонов излучения, различающем число фотонов, быстродействующий сверхпроводниковый однофотонный детектор подключен к источнику постоянного тока и высокочастотному тракту съема сигнала через адаптер смещения, высокочастотный выход адаптера смещения подключен через первый коаксиальный кабель к СВЧ-усилителям, и далее через второй коаксиальный кабель ко входу амплитудного анализатора, регистрирующего число фотонов, падающих на быстродействующий сверхпроводниковый однофотонный детектор, при этом в быстродействующем сверхпроводниковом однофотонном детекторе на подложке размещены контактные площадки, а между контактными площадками, по крайней мере, две одинаковые полоски, выполненные из пленки сверхпроводника, толщина которой порядка длины когерентности падающего излучения, а ширина - меньше глубины проникновения магнитного поля, концы полосок подсоединены к контактным площадкам так, что полоски соединены параллельно, при этом каждая полоска соединена с одной из контактных площадок через соответствующий полосковый резистор, резисторы для всех полосок выполнены одинаковыми, а сопротивление резисторов составляет 0,5÷500 Ом, в зависимости от кинетической индуктивности сверхпроводящих полосок оно подбирается так, чтобы переключение в резистивное состояние одной из полосок не приводило к переключению в резистивное состояние остальных полосок, т.е., чтобы величина тока в этих полосках не превышала величину критического тока.The technical result is achieved by the fact that in the known superconducting photon detector of the visible and infrared radiation ranges, distinguishing the number of photons, a fast superconducting single-photon detector is connected to a direct current source and a high-frequency signal pick-up path through a bias adapter, the high-frequency output of the bias adapter is connected through a first coaxial cable to the microwave amplifiers, and then through a second coaxial cable to the input of an amplitude analyzer that registers the number of photos s incident on a high-speed superconducting single-photon detector, while in the high-speed superconducting single-photon detector, contact pads are placed on the substrate, and between the contact pads there are at least two identical strips made of a superconductor film whose thickness is of the order of the incident radiation coherence length and width - less than the depth of penetration of the magnetic field, the ends of the strips are connected to the contact pads so that the strips are connected in parallel, with each strip connected to one of the pads through the corresponding strip resistor, the resistors for all strips are the same, and the resistance of the resistors is 0.5 ÷ 500 Ohm, depending on the kinetic inductance of the superconducting strips, it is selected so that switching to the resistive state of one of the strips does not result to switch to the resistive state of the remaining strips, i.e., so that the current in these strips does not exceed the critical current.

Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:Additional embodiments of the device are possible, in which it is advisable that:

- полоски были выполнены в форме меандра, прямолинейными, или другой удобной формы;- the strips were made in the shape of a meander, rectilinear, or other convenient shape;

- габариты полосок были вписаны в квадрат со стороной 10 мкм;- the dimensions of the strips were inscribed in a square with a side of 10 microns;

- ширина полосок выбрана в диапазоне 60÷150 нм, при этом величины зазоров между полосками выполнены в диапазоне 60÷150 нм;- the width of the strips is selected in the range of 60 ÷ 150 nm, while the gaps between the strips are made in the range of 60 ÷ 150 nm;

- для случая, когда полоски имеют форму меандра, полоски выполнены с фактором заполнения k более 0,5, определяемым по формуле- for the case when the strips have the shape of a meander, the strips are made with a filling factor k of more than 0.5, determined by the formula

k-a/b,k-a / b,

где а - ширина полосок меандра,where a is the width of the stripes of the meander,

b - период меандра;b - meander period;

- резисторы выполнены в виде прямоугольников из пленки золота толщиной 30÷50 нм, рабочей площадью от 0,3×1,5 мкм2 до 0,5×20 мкм2.- resistors are made in the form of rectangles of a gold film with a thickness of 30 ÷ 50 nm, a working area of 0.3 × 1.5 μm 2 to 0.5 × 20 μm 2 .

Перечень фигур чертежейList of drawings

Настоящее изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена блок-схема фотонного детектора, различающего число фотонов, а на фиг.2 - схематично представлен используемый быстродействующий сверхпроводниковый однофотонный детектор.The present invention is illustrated by drawings, where Fig. 1 is a block diagram of a photon detector distinguishing between the number of photons, and Fig. 2 is a schematic diagram of a high-speed superconducting single-photon detector used.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Быстродействующий сверхпроводниковый однофотонный детектор 1 подключается к источнику постоянного тока 2 и высокочастотному тракту съема сигнала через адаптер смещения 3. Высокочастотный выход адаптера смещения 3 подключается через коаксиальный кабель 4 к СВЧ-усилителям 5 и далее через второй коаксиальный кабель 4 ко входу амплитудного анализатора 6, регистрирующего число фотонов, падающих на быстродействующий сверхпроводниковый однофотонный детектор. Наличие амплитудного анализатора в блок схеме детектора позволяет анализировать амплитуду импульса фотоотклика детектора и тем самым регистрировать число падающих фотонов.A high-speed superconducting single-photon detector 1 is connected to a direct current source 2 and a high-frequency signal pick-up path through a bias adapter 3. The high-frequency output of a bias adapter 3 is connected via a coaxial cable 4 to microwave amplifiers 5 and then through a second coaxial cable 4 to the input of an amplitude analyzer 6 registering the number of photons incident on a high-speed superconducting single-photon detector. The presence of an amplitude analyzer in the detector block circuit makes it possible to analyze the amplitude of the photoresponse pulse of the detector and thereby record the number of incident photons.

Устройство быстродействующего однофотонного детектора 1 представлено на фиг.2. На подложке 7 расположены контактные площадки 8, соединенные с несколькими одинаковыми сверхпроводящими полосками 9, подключенными параллельно. Последовательно с каждой полоской 9 подключается полосковый резистор 10. При этом полоски, выполненные из пленки сверхпроводника, имеют толщину порядка длины когерентности, а ширину - меньше глубины проникновения магнитного поля. Резисторы для всех полосок выполнены одинаковыми, а сопротивление резисторов составляет 0.5-500 Ом, в зависимости от кинетической индуктивности сверхпроводящих полосок оно подбирается так, чтобы переключение в резистивное состояние одной из полосок не приводило к переключению в резистивное состояние остальных полосок, т.е., чтобы величина тока в этих полосках не превышала величину критического тока. Полоски имеют форму меандра и исполнены с фактором заполнения k более 0,5, определяемым по формулеThe device high-speed single-photon detector 1 is presented in figure 2. On the substrate 7 are contact pads 8 connected to several identical superconducting strips 9 connected in parallel. In series with each strip 9, a strip resistor 10 is connected. Moreover, the strips made of a superconductor film have a thickness of the order of the coherence length, and the width is less than the penetration depth of the magnetic field. The resistors for all strips are the same, and the resistance of the resistors is 0.5-500 Ohm, depending on the kinetic inductance of the superconducting strips, it is selected so that switching to the resistive state of one of the strips does not lead to switching to the resistive state of the remaining strips, i.e., so that the current in these strips does not exceed the critical current. The strips have the shape of a meander and are made with a filling factor k greater than 0.5, determined by the formula

k-a/b,k-a / b,

где а - ширина полосок меандра,where a is the width of the stripes of the meander,

b - период меандра.b is the meander period.

Ширина полосок выбрана порядка 100 нм, при этом величина зазоров между полосками составляет также порядка 100 нм.The width of the strips is selected on the order of 100 nm, while the gap between the strips is also about 100 nm.

Работает сверхпроводниковый фотонный детектор (фиг.1 и 2) следующим образом.A superconducting photon detector operates (FIGS. 1 and 2) as follows.

В рабочем режиме детектор имеет температуру ниже температуры сверхпроводящего перехода (например, температура жидкого гелия). Через полоски 9 пропускается транспортный ток, близкий к критическому. При поглощении сверхпроводником фотона происходит разрушение куперовской пары и образуется электрон, обладающий энергией, близкой к энергии фотона. Посредством электрон-электронного и электрон-фотонного взаимодействий этот электрон релаксирует по энергии, разрушая куперовские пары и приводя к каскадному размножению квазичастиц. В результате, сверхпроводимость на короткое время подавляется в малой по сравнению с шириной части одной из полосок 9 и образуется «горячее пятно». В этой области появляется сопротивление, величина которого соответствует сопротивлению пленки, из которой выполнены полоски 9, в нормальном состоянии. Если в это время через полоску 9 пропущен ток, близкий к критическому, то происходит его перераспределение по оставшейся в сверхпроводящем состоянии части пленки. Величина плотности тока в сверхпроводящей области начинает превышать критическую, и все сечение этой полоски переходит в нормальное состояние. Поскольку сопротивление этой полоски вместе с ее полосковым резистором становится больше, чем у остальных полосок, ток начинает перераспределяться между полосками: в полоске, поглотившей фотон, ток падает, а в остальных полосках растет. Благодаря наличию кинетической индуктивности полосок 9, а также благодаря полосковым резисторам 10, возникшее дополнительное сопротивление полоски, поглотившей фотон, не шунтируется остальными полосками, что приводит к увеличению напряжения на контактах 8. Этот скачок напряжения свидетельствует о регистрации фотона. Величина полосковых резисторов подбирается таким образом, чтобы при перераспределении между полосками 9 ток в этих полосках не достигал критического. Импульс напряжения, возникающий в момент поглощения фотона, поступает в схему регистрации.In operating mode, the detector has a temperature below the temperature of the superconducting transition (for example, the temperature of liquid helium). Close to critical transport current is passed through strips 9. When a photon is absorbed by a superconductor, the Cooper pair is destroyed and an electron is formed with an energy close to the photon energy. Through electron-electron and electron-photon interactions, this electron relaxes in energy, destroying Cooper pairs and leading to cascade multiplication of quasiparticles. As a result, superconductivity is suppressed for a short time in a small part compared to the width of one of the strips 9 and a “hot spot” is formed. In this area, a resistance appears, the value of which corresponds to the resistance of the film from which the strips 9 are made, in a normal state. If a current close to critical is passed through strip 9 at this time, then it redistributes over the part of the film remaining in the superconducting state. The magnitude of the current density in the superconducting region begins to exceed the critical value, and the entire cross section of this strip goes into a normal state. Since the resistance of this strip, together with its strip resistor, becomes greater than that of the other strips, the current begins to be redistributed between the strips: in the strip that has absorbed the photon, the current decreases, and in the remaining strips it grows. Due to the kinetic inductance of the strips 9, as well as due to the strip resistors 10, the additional resistance of the strip absorbing the photon that arose is not shunted by the other strips, which leads to an increase in voltage at the contacts 8. This voltage jump indicates the registration of the photon. The value of the strip resistors is selected so that when redistributing between the strips 9, the current in these strips does not reach a critical value. The voltage pulse that occurs at the moment of absorption of the photon enters the registration circuit.

Так же, как в ближайшем аналоге, для получения высокой чувствительности в видимом и инфракрасном диапазонах волн чувствительный элемент представляет собой полоску 9 из тонкой пленки сверхпроводника, изогнутую в форме меандра и заполняющую прямоугольную площадку. Толщина пленки полоски 9 выполнена порядка длины когерентности, а ширина полоски - меньше глубины проникновения магнитного поля. Можно было бы достичь увеличения быстродействия детектора, уменьшая длину полоски 9, однако при этом резко ухудшается чувствительность детектора, т.к. не заполняется приемная площадка детектора. Для увеличения быстродействия детектора чувствительный элемент, представляющий собой сверхпроводящую полоску, разбивается на несколько полосок меньшей длины, соединенных параллельно. Каждая из полосок имеет кинетическую индуктивность, меньшую, чем кинетическая индуктивность исходной длинной полоски. Пленка, из которой состоят полоски 9, находится при температуре ниже критической, и по ней протекает электрический ток, близкий к критическому.As in the closest analogue, to obtain high sensitivity in the visible and infrared wavelength ranges, the sensitive element is a strip 9 of a thin film of a superconductor, curved in the form of a meander and filling a rectangular area. The film thickness of the strip 9 is made of the order of the coherence length, and the strip width is less than the penetration depth of the magnetic field. It would be possible to achieve an increase in the speed of the detector by decreasing the length of the strip 9, however, the sensitivity of the detector is sharply deteriorated, since the receiving area of the detector is not filled. To increase the speed of the detector, the sensitive element, which is a superconducting strip, is divided into several strips of shorter length, connected in parallel. Each of the strips has a kinetic inductance less than the kinetic inductance of the original long strip. The film of which the strips 9 are composed is at a temperature below the critical temperature, and an electric current close to critical flows through it.

Для увеличения быстродействия размеры полосок 9 могут быть выбраны с величиной кинетической индуктивности в 50 раз меньше кинетической индуктивности исходной полоски, что обеспечивается наименьшей длиной полосок 9, равной расстоянию между контактными площадками 8, в случае выполнения полосок 9 прямолинейными. Введение дополнительных полосковых резисторов 10 позволяет исключить переключение в нормальное состояние других сверхпроводящих полосок 9 при переключении в нормальное состояние одной из полосок 9, в которой поглотился фотон, и приводит к увеличению быстродействия.To increase performance, the sizes of the strips 9 can be selected with a kinetic inductance of 50 times less than the kinetic inductance of the original strip, which is ensured by the shortest length of the strips 9, equal to the distance between the contact pads 8, in the case of the execution of the strips 9 straight. The introduction of additional strip resistors 10 eliminates the switching to the normal state of other superconducting strips 9 when switching to the normal state of one of the strips 9 in which the photon is absorbed, and leads to an increase in speed.

Сверхпроводящие полоски 9 могут быть изготовлены из пленки NbN толщиной 4 нм, нанесенной на подложку 7 из сапфира. Основной чувствительный элемент - полоски 9 выполняются шириной 60÷150 нм, в виде меандра с расстоянием между полосками внутри меандра, также в диапазоне 60÷150 нм, и заполняющим квадрат со стороной 10 мкм. Контактные площадки 8 изготавливаются из NbN и покрываются золотом для улучшения электрического контакта.Superconducting strips 9 can be made of 4 nm thick NbN film deposited on a sapphire substrate 7. The main sensitive element - strips 9 are made with a width of 60 ÷ 150 nm, in the form of a meander with a distance between the strips inside the meander, also in the range of 60 ÷ 150 nm, and filling a square with a side of 10 μm. The pads 8 are made of NbN and plated with gold to improve electrical contact.

Детектор работает при температурах ниже 10 К (приблизительная температура сверхпроводящего перехода для тонких пленок NbN), например 4,2 К. При указанных размерах полосок 9 величина критического тока IC для каждой из полосок с составляет около 15 мкА при температуре 4,2 К. Величина транспортного тока составляет 0,8÷0,9 от IC. Как и в ближайшем аналоге, устройство подключается к источнику постоянного тока и СВЧ-тракту через адаптер смещения. СВЧ-тракт в заявленном изобретении представляет собой коаксиальный кабель и цепочку СВЧ-усилителей. После усиления импульсы напряжения, возникающие на детекторе при поглощении фотонов, поступают на регистрирующую аппаратуру, в качестве которой использован амплитудный анализатор, который позволяет анализировать амплитуду импульса фотоотклика детектора и определять число фотонов.The detector operates at temperatures below 10 K (approximate superconducting transition temperature for thin NbN films), for example, 4.2 K. For the indicated sizes of the strips 9, the critical current I C for each of the strips c is about 15 μA at a temperature of 4.2 K. The magnitude of the transport current is 0.8 ÷ 0.9 of I C. As in the closest analogue, the device is connected to a constant current source and a microwave path through a bias adapter. The microwave path in the claimed invention is a coaxial cable and a chain of microwave amplifiers. After amplification, the voltage pulses arising at the detector during the absorption of photons are fed to recording equipment, which is used as an amplitude analyzer, which allows you to analyze the amplitude of the photoresponse pulse of the detector and determine the number of photons.

Разбиение сверхпроводящей полоски на параллельно включенные секции меньшей длины с полосковыми резисторами позволило повысить быстродействие в 50 раз, без потери чувствительности детектора. Заявленный сверхпроводниковый фотонный детектор промышленно применим для регистрации количества отдельных фотонов видимого и инфракрасного диапазонов в системах оптической волоконной связи, телекоммуникационных технологиях, в системах защиты передаваемой информации с помощью систем квантовой криптографии, в электронике для диагностики и тестирования больших интегральных схем (БИС), в спектроскопии одиночных молекул, анализе излучения квантовых точек в полупроводниковых наноструктурах, астрономии и медицине.The division of the superconducting strip into parallel sections of shorter length with strip resistors made it possible to increase the speed by 50 times, without losing the sensitivity of the detector. The claimed superconducting photon detector is industrially applicable for detecting the number of individual photons of the visible and infrared ranges in optical fiber communication systems, telecommunication technologies, in the protection of transmitted information using quantum cryptography systems, in electronics for the diagnosis and testing of large integrated circuits (LSI), in spectroscopy single molecules, analysis of quantum dot radiation in semiconductor nanostructures, astronomy and medicine.

Принцип действия быстродействующего сверхпроводникового детектора заключается в следующем. При поглощении одного фотона быстродействующим сверхпроводниковым детектором с полосковыми резисторами только одна полоска сверхпроводника переходит в резистивное состояние, что приводит к импульсному увеличению напряжения на контактах 8 на величину ΔU. Благодаря наличию кинетической индуктивности полосок 9, а также благодаря полосковым резисторам 10 остальные полоски детектора остаются в рабочем сверхпроводящем состоянии. Резистивное состояние в полоске существует в течение времени порядка 100 пс. Поглощение второго фотона какой-либо другой полоской за это время вызовет переход этой полоски в резистивное состояние, что приведет к увеличению напряжения на контактах 8, напряжение будет больше ΔU. В общем случае, при использовании детектора, состоящего из N сверхпроводниковых полосок, и поглощении различными полосками детектора в течение времени менее 100 пс k фотонов, на контактах 8 в случае идентичности сверхпроводниковых полосок возникает напряжение, однозначно связанное с числом поглощенных фотонов. Таким образом, использование амплитудного анализатора в качестве регистрирующего устройства позволяет определять амплитуду импульса фотоотклика и тем самым однозначно определять число одновременно поглощенных фотонов.The principle of operation of a high-speed superconducting detector is as follows. When one photon is absorbed by a high-speed superconducting detector with strip resistors, only one strip of the superconductor goes into the resistive state, which leads to a pulse increase in the voltage at contacts 8 by ΔU. Due to the kinetic inductance of the strips 9, as well as due to the strip resistors 10, the remaining strips of the detector remain in a working superconducting state. The resistive state in the strip exists for a time of the order of 100 ps. The absorption of the second photon by any other strip during this time will cause the transition of this strip to a resistive state, which will lead to an increase in voltage at terminals 8, the voltage will be greater than ΔU. In the general case, when using a detector consisting of N superconducting strips and absorbing various detector strips for less than 100 ps k photons, voltage appears on contacts 8 in the case of identical superconducting strips, which is uniquely related to the number of absorbed photons. Thus, the use of an amplitude analyzer as a recording device allows one to determine the amplitude of the photoresponse pulse and thereby uniquely determine the number of simultaneously absorbed photons.

Claims (6)

1. Сверхпроводниковый фотонный детектор видимого и инфракрасного диапазонов излучения, различающий число фотонов, содержащий быстродействующий сверхпроводниковый однофотонный детектор, в котором на подложке размещены контактные площадки, а между контактными площадками, по крайней мере, две одинаковые полоски, выполненные из пленки сверхпроводника, толщина которой порядка длины когерентности, а ширина - меньше глубины проникновения магнитного поля, концы полосок подсоединены к контактным площадкам так, что полоски соединены параллельно, при этом каждая полоска соединена с одной из контактных площадок через соответствующий полосковый резистор, резисторы для всех полосок выполнены одинаковыми, а сопротивление резисторов составляет 0,5÷500 Ом, в зависимости от кинетической индуктивности сверхпроводящих полосок оно подобрано так, чтобы переключение в резистивное состояние одной из полосок не приводило к переключению в резистивное состояние остальных полосок, т.е. чтобы величина тока в этих полосках не превышала величину критического тока, быстродействующий сверхпроводниковый однофотонный детектор подключен к источнику постоянного тока и высокочастотному тракту съема сигнала через адаптер смещения, высокочастотный выход адаптера смещения подключен через первый коаксиальный кабель к СВЧ-усилителям, и далее через второй коаксиальный кабель - ко входу амплитудного анализатора, регистрирующего число фотонов, падающих на быстродействующий сверхпроводниковый однофотонный детектор.1. A superconducting photon detector of visible and infrared radiation ranges, distinguishing the number of photons, containing a high-speed superconducting single-photon detector in which there are contact pads on the substrate, and between the pads, at least two identical strips made of a superconductor film, the thickness of which is of the order of the coherence length, and the width is less than the depth of penetration of the magnetic field, the ends of the strips are connected to the contact pads so that the strips are connected in parallel but, at the same time, each strip is connected to one of the contact pads through the corresponding strip resistor, the resistors for all strips are the same, and the resistance of the resistors is 0.5 ÷ 500 Ohm, depending on the kinetic inductance of the superconducting strips it is selected so that it switches to resistive the state of one of the strips did not lead to switching to the resistive state of the remaining strips, i.e. so that the current value in these strips does not exceed the critical current value, a high-speed superconducting single-photon detector is connected to a direct current source and a high-frequency signal pickup path through a bias adapter, the high-frequency output of the bias adapter is connected through a first coaxial cable to microwave amplifiers, and then through a second coaxial cable - to the input of an amplitude analyzer that registers the number of photons incident on a high-speed superconducting single-photon detector. 2. Детектор по п.1, отличающийся тем, что полоски выполнены в форме меандра.2. The detector according to claim 1, characterized in that the strips are made in the form of a meander. 3. Детектор по п.1, отличающийся тем, что полоски выполнены прямолинейными.3. The detector according to claim 1, characterized in that the strips are made rectilinear. 4. Детектор по п.1, отличающийся тем, что габариты полосок вписаны в квадрат со стороной 10 мкм.4. The detector according to claim 1, characterized in that the dimensions of the strips are inscribed in a square with a side of 10 μm. 5. Детектор по п.1, отличающийся тем, что ширина полосок выбрана в диапазоне 60÷150 нм, при этом величины зазоров между полосками выполнены в диапазоне 60÷150 нм.5. The detector according to claim 1, characterized in that the width of the strips is selected in the range of 60 ÷ 150 nm, while the gaps between the strips are made in the range of 60 ÷ 150 nm. 6. Детектор по п.2, отличающийся тем, что полоски выполнены с фактором заполнения k более 0,5, определяемым по формуле:
k-a/b,
где а - ширина полосок меандра;
b - период меандра.
6. The detector according to claim 2, characterized in that the strips are made with a filling factor k of more than 0.5, determined by the formula:
ka / b
where a is the width of the meander stripes;
b is the meander period.
RU2007123765/28A 2007-06-26 2007-06-26 Superconducting photon-counting detector for visible and infrared spectral range RU2346357C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007123765/28A RU2346357C1 (en) 2007-06-26 2007-06-26 Superconducting photon-counting detector for visible and infrared spectral range

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007123765/28A RU2346357C1 (en) 2007-06-26 2007-06-26 Superconducting photon-counting detector for visible and infrared spectral range

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2346357C1 true RU2346357C1 (en) 2009-02-10

Family

ID=40546863

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007123765/28A RU2346357C1 (en) 2007-06-26 2007-06-26 Superconducting photon-counting detector for visible and infrared spectral range

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2346357C1 (en)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2506664C1 (en) * 2012-10-02 2014-02-10 Закрытое акционерное общество "Сверхпроводниковые нанотехнологии" Method for precision positioning of sensitive element of photon detector
RU2530468C1 (en) * 2013-05-17 2014-10-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ) Method of parameter measurement for single-photon infrared band emission sources
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
RU2641621C2 (en) * 2015-10-30 2018-01-18 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский педагогический государственный университет Ultrafast and ultrasensitive hybrid superconducting waveguide single-photon detector with low dark count rate
RU194126U1 (en) * 2019-05-22 2019-11-28 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Московский педагогический государственный университет WAVEGUIDE SUPERCONDUCTOR SINGLE-PHOTON DETECTOR WITH IMPROVED TOPOLOGY
RU2778546C1 (en) * 2021-12-16 2022-08-22 Владимир Владиславович Имшенецкий Device and method for receiving optical signal reflected from sounding object

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2506664C1 (en) * 2012-10-02 2014-02-10 Закрытое акционерное общество "Сверхпроводниковые нанотехнологии" Method for precision positioning of sensitive element of photon detector
RU2530468C1 (en) * 2013-05-17 2014-10-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ) Method of parameter measurement for single-photon infrared band emission sources
RU2641621C2 (en) * 2015-10-30 2018-01-18 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский педагогический государственный университет Ultrafast and ultrasensitive hybrid superconducting waveguide single-photon detector with low dark count rate
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
RU194126U1 (en) * 2019-05-22 2019-11-28 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Московский педагогический государственный университет WAVEGUIDE SUPERCONDUCTOR SINGLE-PHOTON DETECTOR WITH IMPROVED TOPOLOGY
RU2778546C1 (en) * 2021-12-16 2022-08-22 Владимир Владиславович Имшенецкий Device and method for receiving optical signal reflected from sounding object
RU2801961C1 (en) * 2022-12-28 2023-08-21 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Active superconducting detector
RU2813121C1 (en) * 2023-07-06 2024-02-06 Общество С Ограниченной Ответственностью "Курэйт" Multichannel single photon detector

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10386229B2 (en) Gated superconducting photon detector
Kahl et al. Waveguide integrated superconducting single-photon detectors with high internal quantum efficiency at telecom wavelengths
Zhu et al. A scalable multi-photon coincidence detector based on superconducting nanowires
Schuck et al. Waveguide integrated low noise NbTiN nanowire single-photon detectors with milli-Hz dark count rate
Dauler et al. Multi-element superconducting nanowire single-photon detector
US10665634B2 (en) Distributed nanowire sensor for single photon imaging
Itzler et al. Advances in InGaAsP-based avalanche diode single photon detectors
Korneev et al. Sensitivity and gigahertz counting performance of NbN superconducting single-photon detectors
RU2346357C1 (en) Superconducting photon-counting detector for visible and infrared spectral range
Yan et al. An ultra low noise telecom wavelength free running single photon detector using negative feedback avalanche diode
Hofherr et al. Time-tagged multiplexing of serially biased superconducting nanowire single-photon detectors
RU2327253C2 (en) Quick-response superconducting single photon detector with stripe resistors
JP6528042B2 (en) Photon detection device and photon detection method
Annunziata et al. Niobium superconducting nanowire single-photon detectors
Tao et al. Characterize the speed of a photon-number-resolving superconducting nanowire detector
Goltsman et al. Ultrafast superconducting single-photon detector
Kitaygorsky et al. Amplitude distributions of dark counts and photon counts in NbN superconducting single-photon detectors integrated with the HEMT readout
Castellani et al. Nanocryotron ripple counter integrated with a superconducting nanowire single-photon detector for megapixel arrays
US12098949B1 (en) Integrated superconducting nanowire digital photon detector
Raupach et al. Photon number dependent afterpulsing in superconducting nanostrip single-photon detectors
Pagano et al. Nano-strip three-terminal superconducting device for cryogenic detector readout
Marsili et al. Superconducting parallel nanowire detector with photon number resolving functionality
RU2609729C1 (en) Superconducting single-photon detector having controlled memory effect
Ercolano et al. Superconducting PNR detector for photon sources characterization
Zhu et al. Resolving photon numbers using a superconducting tapered nanowire detector

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20130627

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190627