RU2609729C1 - Superconducting single-photon detector having controlled memory effect - Google Patents
Superconducting single-photon detector having controlled memory effect Download PDFInfo
- Publication number
- RU2609729C1 RU2609729C1 RU2015147036A RU2015147036A RU2609729C1 RU 2609729 C1 RU2609729 C1 RU 2609729C1 RU 2015147036 A RU2015147036 A RU 2015147036A RU 2015147036 A RU2015147036 A RU 2015147036A RU 2609729 C1 RU2609729 C1 RU 2609729C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- strip
- superconducting
- detector
- meander
- contact pads
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N60/00—Superconducting devices
- H10N60/30—Devices switchable between superconducting and normal states
Landscapes
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к устройствам для регистрации отдельных фотонов видимого и инфракрасного диапазонов и может быть использовано в системах оптической волоконной связи на больших расстояниях, телекоммуникационных технологиях, в системах интегральной оптики и нанофотоники, 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 и медицине.The present invention relates to devices for detecting individual photons of the visible and infrared ranges and can be used in optical fiber communication systems at long distances, telecommunication technologies, integrated optical and nanophotonic systems, in the protection of transmitted information using quantum cryptography systems, diagnostics and testing large integrated circuits (LSI) in electronics, in the spectroscopy of single molecules, the analysis of quantum dot radiation in semiconductor nanostructures, astronomy and medicine.
Из уровня техники известен быстродействующий сверхпроводниковый однофотонный детектор с полосковыми резисторами (см. RU 2327253, кл. H01L 39/16, публ. 20.06.2008 г.).The prior art known high-speed superconducting single-photon detector with strip resistors (see RU 2327253, CL H01L 39/16, publ. 06/20/2008).
Известный сверхпроводниковый однофотонный детектор содержит подложку, контактные площадки, размещенные на ней, полоску, выполненную из пленки сверхпроводника, толщина которой порядка длины когерентности, а ширина меньше глубины проникновения магнитного поля, расположенную на подложке между контактными площадками.Known superconducting single-photon detector contains a substrate, contact pads placed on it, a strip made of a superconductor film, the thickness of which is of the order of the coherence length, and the width is less than the penetration depth of the magnetic field located on the substrate between the contact pads.
Недостатком известного сверхпроводникового однофотонного детектора является заметная величина кинетической индуктивности, ограничивающая быстродействие детектора.A disadvantage of the known superconducting single-photon detector is a significant kinetic inductance, limiting the speed of the detector.
Из уровня техники известен сверхпроводниковый однофотонный детектор с антиотражающим покрытием (см. US 6812464, кл. H01L 39/00, публ. 02.11.2004 г.).The prior art single-photon superconducting detector with an antireflection coating is known (see US 6812464, class H01L 39/00, publ. 02.11.2004).
Известный детектор содержит подложку, контактные площадки, размещенные на подложки, полоску, выполненную в форме меандра из сверхпроводника, расположенную на подложке между контактными площадками и концы которой подсоединены к контактным площадкам.The known detector contains a substrate, contact pads placed on the substrate, a strip made in the form of a meander made of a superconductor, located on a substrate between the contact pads and the ends of which are connected to the contact pads.
Преимуществом данного устройства является то, что квантовый детектор обеспечивает достаточный сигнал при поглощении одного фотона.The advantage of this device is that a quantum detector provides a sufficient signal when absorbing one photon.
В известном устройстве применяется зеркало, а кванты излучения могут регистрироваться только после прохождения излучения через подложку. Чувствительный элемент в известном устройстве представляет собой узкую полоску длиной 500 мкм из тонкой пленки сверхпроводника, изогнутой в форме меандра и заполняющей прямоугольную площадку. Толщина пленки выбрана порядка длины когерентности, а ширина полоски - меньше глубины проникновения магнитного поля. Использование полоски, выполненной в форме меандра из сверхпроводника, позволяет увеличить чувствительность устройства. В альтернативном варианте исполнения устройства использована прямолинейная полоска из сверхпроводника, что позволяет повысить быстродействие устройства, но при этом значительно снижается его чувствительность.In the known device, a mirror is used, and radiation quanta can be registered only after radiation passes through the substrate. The sensing element in the known device is a narrow strip 500 microns long from a thin film of a superconductor, curved in the shape of a meander and filling a rectangular area. The film thickness is chosen on the order of the coherence length, and the strip width is less than the penetration depth of the magnetic field. The use of a strip made in the form of a meander from a superconductor allows to increase the sensitivity of the device. In an alternative embodiment of the device, a rectilinear strip of superconductor is used, which allows to increase the speed of the device, but its sensitivity is significantly reduced.
В связи с чем недостатком известного устройства можно считать низкие технико-эксплуатационные характеристики.In this connection, the disadvantage of the known device can be considered low technical and operational characteristics.
Наиболее близким аналогом предлагаемого сверхпроводникового однофотонного детектора является сверхпроводниковый однофотонный детектор (см. RU 2346357, кл. H01L 39/02, публ. 10.02.2009 г.).The closest analogue of the proposed superconducting single-photon detector is a superconducting single-photon detector (see RU 2346357, CL H01L 39/02, publ. 10.02.2009).
Известный сверхпроводниковый однофотонный детектор содержит подложку, контактные площадки, размещенные на ней, чувствительный элемент, выполненный в форме меандра из сверхпроводящего материала и расположенный на подложке между контактными площадками, концы которого подсоединены к ним, при этом к упомянутому чувствительному элементу последовательно подключен полосковый резистор, а фактор k заполнения чувствительного элемента составляет более 0,75 и определяется из следующего соотношения:Known superconducting single-photon detector contains a substrate, contact pads placed on it, a sensing element made in the form of a meander made of superconducting material and located on a substrate between contact pads, the ends of which are connected to them, while a strip resistor is connected in series to said sensitive element, and the filling factor k of the sensitive element is more than 0.75 and is determined from the following ratio:
k=а/b,k = a / b,
где а - ширина полоски меандра;where a is the width of the meander strip;
b - период меандра.b is the meander period.
Недостатком наиболее близкого аналога является отсутствие возможности бессрочно сохранять информацию о попадании одиночного фотона.The disadvantage of the closest analogue is the lack of the ability to indefinitely save information about a single photon.
Задачей предлагаемого изобретения является создание сверхпроводникового однофотонного детектора с повышенными технико-эксплуатационными характеристиками.The objective of the invention is the creation of a superconducting single-photon detector with enhanced technical and operational characteristics.
Техническим результатом предлагаемого сверхпроводникового однофотонного детектора, который объективно проявляется при его использовании, является бессрочное сохранение информации о попадании одиночного фотона в детектор, а также повышение квантовой эффективности детектора.The technical result of the proposed superconducting single-photon detector, which is objectively manifested when it is used, is the indefinite storage of information about a single photon entering the detector, as well as increasing the quantum efficiency of the detector.
Указанный технический результат, обеспечивающий решение поставленной перед изобретением задачи, достигается тем, что сверхпроводниковый однофотонный детектор, содержит подложку, контактные площадки, размещенные на ней, чувствительный элемент, выполненный в форме меандра из сверхпроводящего материала, расположенный между контактными площадками, концы которого подсоединены к последним, при этом к упомянутому чувствительному элементу последовательно подключен полосковый резистор, сопротивление которого превышает сопротивление упомянутых контактных площадок, расположенный с зазором относительно подложки, на расстоянии от нее, не превышающем числовое значение, получаемое из следующего выражения:The specified technical result, which ensures the solution of the problem posed by the invention, is achieved by the fact that the superconducting single-photon detector contains a substrate, contact pads placed on it, a sensing element made in the form of a meander of superconducting material located between the contact pads, the ends of which are connected to the latter while a strip resistor is connected in series to said sensor element, the resistance of which exceeds the resistance of said removed contact pads, located with a gap relative to the substrate, at a distance from it not exceeding a numerical value obtained from the following expression:
L=V×(t/2), гдеL = V × (t / 2), where
V - скорость распространения сигнала в линии;V is the signal propagation velocity in the line;
t - длительность импульса.t is the pulse duration.
Фактор k заполнения чувствительного элемента может составлять более 0,75 и определяться из следующего соотношения:The filling factor k of the sensitive element can be more than 0.75 and is determined from the following ratio:
k=а/b, гдеk = a / b, where
а - ширина полоски меандра; a is the width of the meander strip;
b - период меандра.b is the meander period.
Является предпочтительным, если полосковый резистор выполнен прямолинейным.It is preferred if the strip resistor is rectilinear.
По одному из частных вариантов исполнения изобретение полосковый резистор выполнен в виде меандра.In one particular embodiment, the strip resistor is in the form of a meander.
Является целесообразным, если полосковый резистор выполняется из металлической пленки.It is advisable if the strip resistor is made of a metal film.
Является предпочтительным, если полосковый резистор выполняется из сверхпроводниковой пленки.It is preferred if the strip resistor is made of a superconducting film.
Как правило, ширина чувствительного элемента и полоскового резистора выбирается из диапазона 80-120 нм.As a rule, the width of the sensing element and the strip resistor is selected from the range of 80-120 nm.
По одному из частных вариантов выполнения изобретения контактные площадки изготовлены из нитрида ниобия и покрыты золотом для улучшения электрического контакта.In one particular embodiment of the invention, the contact pads are made of niobium nitride and coated with gold to improve electrical contact.
Чувствительный элемент в форме меандра с указанным фактором k может быть заключен в воображаемый квадрат 7×7 мм, или 10×10 мм, или 20×20 мм.A meander-shaped sensing element with the indicated factor k can be enclosed in an imaginary square of 7 × 7 mm, or 10 × 10 mm, or 20 × 20 mm.
Используемые в предлагаемом сверхпроводниковом однофотонном детекторе контактные площадки являются высокочастотными линиями съема сигналов, которая также называется копланарной линией (один центральный и два общих боковых проводника). Копланарная линия обладает волновым сопротивлением. Взаимные размеры контактных площадок (ширина и зазоры между ними) подбирается таким образом, чтобы их волновое сопротивление было приблизительно равно 50 Ом. Дополнительно введенный полосковый резистор обладает сопротивлением, значительно превышающим показатель в 50 Ом. Такое сопротивление может быть и иным в зависимости от конфигурации контактных площадок, но существенно именно то, что оно меньше сопротивления полоскового резистора.The pads used in the proposed superconducting single-photon detector are high-frequency signal pick-up lines, which is also called the coplanar line (one central and two common side conductors). The coplanar line has wave resistance. The mutual dimensions of the contact pads (width and gaps between them) are selected so that their wave impedance is approximately equal to 50 Ohms. Additionally introduced strip resistor has a resistance that is significantly higher than 50 ohms. Such resistance may be different depending on the configuration of the contact pads, but it is precisely the fact that it is less than the resistance of the strip resistor.
Благодаря введенному в электрическую цепь полосковому резистору, сопротивление которого превышает сопротивление контактных площадок однофотонного детектора, и вызванному этим джоулеву нагреву сверхпроводящей полоски, превышающему теплоотвод из нее, электрическое сопротивление полоски не исчезает, а система остается в нормальном состоянии неограниченно долго.Due to the strip resistor introduced into the electric circuit, the resistance of which exceeds the resistance of the contact pads of the single-photon detector, and the Joule heating of the superconducting strip caused by this, exceeding the heat sink from it, the electrical resistance of the strip does not disappear, and the system remains in normal condition for an unlimited time.
Возвратить детектор обратно в сверхпроводящее состояние возможно посредством перевода специального ключа.It is possible to return the detector back to the superconducting state by transferring a special key.
Электрический ток в цепи однофотонного детектора стекает на землю, перестает выделяться джоулево тепло, и вся система возвращается в исходное сверхпроводящее состояние.An electric current in the circuit of a single-photon detector flows to the ground, the Joule heat ceases to be released, and the entire system returns to its original superconducting state.
Управляемый эффект предлагаемого однофотонного детектора обеспечивается за счет его возвращения в исходное (сверхпроводящее) состояние переводом специального ключа из одного положения в другое.The controlled effect of the proposed single-photon detector is ensured by returning it to its original (superconducting) state by transferring a special key from one position to another.
В предлагаемом изобретении используется технический прием, заключающийся в том, что дополнительно введенный полосковый резистор располагают с зазором относительно подложки, на расстоянии от нее, не превышающим значение, получаемое из выражения: L=V×(t/2). Расположение полоскового резистора на одной подложке с чувствительным элементом, выполненным в виде меандра, приведет к тому, что будет существенно снижена эффективность согласования одномодового волокна с чувствительным элементом, выполненным в виде меандра. В этом случае не будет задействована вся эффективная площадь чувствительного элемента, выполненного в виде меандра при поглощении падающего излучения из одномодового волокна, поскольку часть меандра будет занята полосковым резистором. Кроме того, технологически довольно сложно качественно изготовить и расположить полосковый резистор без зазора по отношению к подложке, в особенности полосковый резистор на основе Au. В данном случае является важным, что придется осаждать на подложку два разных материала непосредственно примыкающих друг к другу, что усиливает вероятность повреждения меандра за счет применения дополнительных технологических операций при изготовлении такой комплексной структуры, и, как следствие, будет существенно снижен объем выхода качественных образцов продукции.In the present invention, a technical technique is used, namely, that an additionally introduced strip resistor is positioned with a gap relative to the substrate, at a distance from it, not exceeding the value obtained from the expression: L = V × (t / 2). The location of the strip resistor on the same substrate with the sensor element made in the form of a meander will lead to the fact that the efficiency of matching a single-mode fiber with a sensor element made in the form of a meander will be significantly reduced. In this case, the entire effective area of the sensitive element, made in the form of a meander when absorbing incident radiation from a single-mode fiber, will not be involved, since part of the meander will be occupied by a strip resistor. In addition, it is technologically quite difficult to qualitatively manufacture and position a strip resistor without a gap with respect to the substrate, in particular a strip resistor based on Au. In this case, it is important that you have to deposit two different materials directly adjacent to each other on the substrate, which increases the likelihood of damage to the meander due to the use of additional technological operations in the manufacture of such a complex structure, and, as a result, the yield of high-quality product samples will be significantly reduced .
В связи с чем, в предлагаемом детекторе предложен вариант пространственного разделения полоскового резистора и подложки. В этом случае напыление контактов и полоскового резистора может быть проведено в разных технологических процессах с применением оптической литографии при формировании рисунков и с использованием одного и того же элемента Au.In this connection, the proposed detector proposed a spatial separation of the strip resistor and the substrate. In this case, the sputtering of the contacts and the strip resistor can be carried out in different technological processes using optical lithography in the formation of patterns and using the same Au element.
При этом условие L<V×(t/2) означает, что в период срабатывания сверхпроводникового однофотонного детектора при поглощении первого фотона электрический сигнал успеет достичь полоскового резистора и вернуться обратно, чтобы перевести его в нерабочее состояние, тем самым максимально быстро переведя его в управляемый режим. Таким образом, в зависимости от поставленной задачи, с данного момента появляется возможность возвращения детектора в исходное состояние (за счет срабатывания ключа) либо удержания его в нерабочем состоянии неограниченное количество времени.In this case, the condition L <V × (t / 2) means that during the operation of the superconducting single-photon detector when the first photon is absorbed, the electric signal has time to reach the strip resistor and return back to put it into an idle state, thereby transferring it to the controlled state as quickly as possible mode. Thus, depending on the task, from this moment it becomes possible to return the detector to its original state (due to the key being triggered) or to keep it inoperative for an unlimited amount of time.
Предлагаемое изобретение поясняется конкретным примером выполнения, который, однако, не является единственно возможным, но при этом наглядным образом демонстрирует достижение заданной совокупностью существенных признаков указанного технического результата, обеспечивающего поставленную перед изобретением задачу, используя ссылки на прилагаемые фигуры.The invention is illustrated by a specific example of implementation, which, however, is not the only possible one, but at the same time demonstrates the achievement by a given set of essential features of the specified technical result, which provides the task set for the invention, using references to the attached figures.
На фиг. 1 представлен внешний вид заявленного сверхпроводникового однофотонного детектора;In FIG. 1 shows the appearance of the claimed superconducting single-photon detector;
На фиг. 2 представлена электрическая цепь с включенным в нее заявленным устройством.In FIG. 2 shows an electric circuit with the claimed device included in it.
На представленных чертежах представлены следующие средства и элементы:In the drawings presented the following tools and elements:
1 - сверхпроводниковый однофотонный детектор;1 - superconducting single-photon detector;
2 - подложка2 - substrate
3 - контактные площадки3 - pads
4 - чувствительный элемент, выполненный в форме меандра4 - a sensitive element made in the form of a meander
5 - полосковый резистор5 - strip resistor
6 - вольтметр6 - voltmeter
7 - ключ7 - key
8 - источник постоянного тока8 - direct current source
Сверхпроводниковый однофотонный детектор поз. 1 содержит подложку поз. 2, контактные площадки поз. 3, размещенные на ней, чувствительный элемент 4, выполненный в форме меандра из сверхпроводящего материала.Superconducting single-photon detector pos. 1 contains a substrate pos. 2, pads pos. 3, placed on it, a
Чувствительный элемент 4 расположен между контактными площадками 3 и концы его подсоединены к контактным площадкам 3.The
К чувствительному элементу последовательно подключен полосковый резистор 5, сопротивление которого превышает сопротивление контактных площадок 3.A
Полосковый резистор 5 расположен с зазором по отношению к подложке, на расстоянии от нее, не превышающем значение, получаемое из следующего выражения:The
L=V×(t/2),L = V × (t / 2),
где V - скорость распространения сигнала в линии;where V is the speed of signal propagation in the line;
t - длительность импульса.t is the pulse duration.
Фактор k заполнения чувствительного элемента 4 составляет более 0,75 и определяется из следующего соотношения:The filling factor k of the
k=а/b,k = a / b,
где а - ширина полоски чувствительного элемента 4 в форме меандра;where a is the width of the strip of the
b - период чувствительного элемента 4 в форме меандра.b - period of the
Полосковый резистор 5 выполнен прямолинейным из сверхпроводниковой пленки.The
Ширина чувствительного элемента 4 в форме меандра и полоскового резистора 5 выбрана в диапазоне 80-120 нм.The width of the
Работает предлагаемый сверхпроводниковый однофотонный детектор следующим образом (см. фиг. 1 и 2).The proposed superconducting single-photon detector operates as follows (see Figs. 1 and 2).
В рабочем режиме детектор имеет температуру ниже температуры сверхпроводящего перехода (например, температура жидкого гелия 4,2 К).In operating mode, the detector has a temperature below the temperature of the superconducting transition (for example, the temperature of liquid helium is 4.2 K).
При поглощении сверхпроводником фотона происходит разрушение куперовской пары. Сверхпроводимость на короткое время подавляется в малой по сравнению с шириной части полоски чувствительного элемента 4, выполненного в форме меандра, и образуется "горячее пятно". В этой области появляется сопротивление, величина которого соответствует сопротивлению пленки, из которой выполнен чувствительный элемент 4 в нормальном состоянии. Если в это время через чувствительный элемент 4 в форме меандра и дополнительный полосковый резистор 5 пропущен ток, близкий к критическому току распаривания, то происходит его перераспределение по оставшейся в сверхпроводящем состоянии части пленки, и величина плотности тока в сверхпроводящей области начинает превышать критическую. В результате все сечение полоски чувствительного элемента 4, выполненного в форме меандра, переходит в нормальное состояние и в детекторе появляется электрическое сопротивление, которое сопровождается импульсом напряжения.When a photon is absorbed by a superconductor, a Cooper pair is destroyed. Superconductivity is suppressed for a short time in a small compared to the width of the strip of the
Благодаря введенному в электрическую цепь полосковому резистору 5, сопротивление которого превышает сопротивление контактных площадок 3, и вызванному этим джоулеву нагреву чувствительного элемента 4, превышающему теплоотвод из него, электрическое сопротивление чувствительного элемента 4 в форме меандра не исчезает, а система остается в нормальном состоянии неограниченно по времени.Due to the
Возвращение детектора в исходное (сверхпроводящее) состояние осуществляется переводом ключа 7 из положения а в положение b (фиг. 2). Электрический ток в цепи детектора стекает на землю, перестает выделяться джоулево тепло, и система возвращается в исходное сверхпроводящее состояние.The detector is returned to its initial (superconducting) state by transferring the key 7 from position a to position b (Fig. 2). The electric current in the detector circuit flows to the ground, the Joule heat ceases to be released, and the system returns to its original superconducting state.
Предлагается такая конструкция детектора, которая позволяет переводить его в нерабочее состояние (чувствительный элемент 4 переводится в нормальное состояние - несверхпроводящее), предельно быстро после поглощения сверхпроводниковой структурой первого фотона. После этого детектор перестает поглощать (детектировать) все последующие фотоны ровно до тех пор, пока он не будет переведен в рабочее состояние (сверхпроводниковое).A detector design is proposed that allows it to be turned into a non-working state (
Управление заключается в выборе такого интервала времени (в зависимости от поставленных задач в эксперименте), в течение которого система остается нечувствительной к вновь пришедшим фотонам. Это время может варьироваться от предельно минимального (ограничено длиной подводящих электрических линий) до неограниченного.The control consists in choosing a time interval (depending on the tasks set in the experiment) during which the system remains insensitive to newly arrived photons. This time can vary from the very minimum (limited by the length of the power lines) to unlimited.
Для получения высокой чувствительности в видимом и инфракрасном диапазонах волн чувствительный элемент 4 представляет собой полоску из тонкой пленки сверхпроводника, изогнутой в форме меандра и заполняющей прямоугольную или квадратную площадку. Толщина пленки полоски чувствительного элемента 4 выполнена порядка длины когерентности, а ширина полоски - меньше глубины проникновения магнитного поля.To obtain high sensitivity in the visible and infrared wavelength ranges, the
Предлагаемое изобретение характеризуется тем, что способно бессрочно сохранять информацию о попадании в него одиночного фотона и при необходимости способно управлять этим "эффектом памяти", кроме того, из-за отсутствия антиотражающего покрытия детектор не обладает ярко выраженной спектральной селективностью, допускает регистрацию фотонов, падающих непосредственно на подложку 2, а не проходящих через нее, что обеспечивает регистрацию падающих на чувствительный элемент 4 фотонов в диапазоне волн от 04-4 мкм.The present invention is characterized by the fact that it is able to indefinitely store information about a single photon entering it and, if necessary, is able to control this "memory effect", in addition, due to the lack of antireflection coating, the detector does not have a pronounced spectral selectivity, allows registration of photons incident directly on the
Предлагаемый детектор обладает эффектом "памяти" с возможностью управления "памятью" при одновременном сохранении высокой чувствительности во всем заявленном диапазоне волн, при выборе фактора k заполнения более 0,75.The proposed detector has the effect of "memory" with the ability to control the "memory" while maintaining high sensitivity in the entire declared wavelength range, when choosing a filling factor k of more than 0.75.
Как показали проведенные эксперименты, чувствительность детектора при выборе фактора k заполнения более 0,75 увеличивается в 1,5 раза по сравнению с ближайшим аналогом.As the experiments showed, the sensitivity of the detector when choosing a filling factor k of more than 0.75 increases by 1.5 times compared with the closest analogue.
Чувствительный элемент 4 (полоска) в форме меандра изготовлена из пленки NbN толщиной 4 нм. Подложка 2 выполнена сапфира или кремния. Чувствительный элемент 4 (полоска) выполняется шириной 80-120 нм, изогнутой в форме меандра с расстоянием между полосками внутри меандра около 100 нм, например, также в диапазоне 80-120 нм, и заполняющей воображаемый квадрат со стороной 10 мкм. Дополнительный полосковый резистор 5 представляет собой прямоугольник из сверхпроводниковой пленки, находящейся в нормальном состоянии. Контактные площадки 3 изготавливаются из NbN и покрываются золотом для улучшения электрического контакта.The sensing element 4 (strip) in the form of a meander is made of an
Однофотонный детектор работает при температурах ниже 10 К (приблизительная температура сверхпроводящего перехода для тонких пленок NbN, например - 4,2 К). При указанном размере чувствительного элемента 4 (полоски) величина критического тока Iс составляет около 30 мкА при температуре 4,2 К. Величина транспортного тока составляет 0,8-0,9 от Iс.A single-photon detector operates at temperatures below 10 K (approximate superconducting transition temperature for thin NbN films, for example, 4.2 K). At the indicated size of the sensitive element 4 (strip), the critical current I s is about 30 μA at a temperature of 4.2 K. The value of the transport current is 0.8-0.9 of I s .
Схематическое изображение электрической цепи с включенным в нее предлагаемым детектором показано на фиг. 2.A schematic illustration of an electric circuit with the proposed detector included in it is shown in FIG. 2.
Предлагаемое устройство 1 подключается к источнику постоянного тока 8 и высокочастотному тракту (коаксиальной линии) с сопротивлением RL. Однако в отличие от наиболее близкого аналога, в высокочастотный тракт не включены адаптер смещения и СВЧ-усилители. Импульсы напряжения, возникающие при поглощении чувсвительным элементом 4 (полоской) в форме меандра одиночных фотонов, поступают непосредственно в цифровой вольтметр 6.The proposed
Величина импульса напряжения, измеренного цифровым вольтметром 6, оказывается равной разности напряжений:The magnitude of the voltage pulse measured by a
ΔU=U1-U0,ΔU = U 1 -U 0 ,
где U0=I×Rs - напряжение в электрической цепи в исходном состоянии, с фиксированным током I, где Rs - сопротивление дополнительного полоскового резистора 5,where U 0 = I × R s is the voltage in the electric circuit in the initial state, with a fixed current I, where R s is the resistance of the
U0=I×(Rs+Rd) - напряжение в электрической цепи при попадании фотона и переводе пленки в резистивное состояние с сопротивлением Rd.U 0 = I × (R s + R d ) is the voltage in the electric circuit when a photon hits and the film is put into a resistive state with resistance R d .
Перевод однофотонного детектора в исходное (сверхпроводящее) состояние осуществляется переводом ключа 7 из положения а в положение b. Электрический ток в цепи, в которую включен детектор, перестает течь. Кроме того, использование ключа 7 для перевода цепи в закороченное состояние на землю позволяет избежать возникновения импульса напряжения при следующем цикле измерений.The transfer of a single-photon detector to its initial (superconducting) state is carried out by transferring the key 7 from position a to position b. The electric current in the circuit into which the detector is connected ceases to flow. In addition, the use of
Для автоматизации перевода ключа из положения а в положение b источник постоянного тока 8 и ключ 7 может быть заменен генератором напряжения специальной формы.To automate the transfer of the switch from position a to position b, the direct
Основные характеристики предлагаемого сверхпроводникового однофотонного детектора (фиг. 1 и 2) приведены в следующей таблице.The main characteristics of the proposed superconducting single-photon detector (Fig. 1 and 2) are shown in the following table.
Последовательное включение дополнительного полоскового резистора 5 в электрическую цепь позволяет реализовать устройство, сохраняющее информацию о попадании одиночного фотона в предлагаемый детектор.The sequential inclusion of an
Наиболее успешно заявленный сверхпроводниковый однофотонный детектор, сохраняющий информацию о попадании в него одиночного фотона, промышленно применим для регистрации 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 most successfully declared superconducting single-photon detector, which stores information about a single photon entering it, is industrially applicable for detecting individual photons of the visible and infrared ranges in optical fiber communication systems, telecommunication technologies, in systems for protecting transmitted information using quantum cryptography systems, in electronics for diagnostics and testing large integrated circuits (LSI), in single-molecule spectroscopy, analysis of quantum dot radiation in half-wavelengths Vodnikova nanostructures, astronomy and medicine.
Claims (15)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015147036A RU2609729C1 (en) | 2015-11-02 | 2015-11-02 | Superconducting single-photon detector having controlled memory effect |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015147036A RU2609729C1 (en) | 2015-11-02 | 2015-11-02 | Superconducting single-photon detector having controlled memory effect |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2609729C1 true RU2609729C1 (en) | 2017-02-02 |
Family
ID=58457675
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015147036A RU2609729C1 (en) | 2015-11-02 | 2015-11-02 | Superconducting single-photon detector having controlled memory effect |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2609729C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2745295C1 (en) * | 2018-01-30 | 2021-03-23 | Токемек Энерджи Лтд | Control and measuring device for the cryogenic system |
| RU2793744C1 (en) * | 2022-04-22 | 2023-04-05 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Single-photon video camera of the visible and infrared ranges based on a superconducting line |
| US11727295B2 (en) | 2019-04-02 | 2023-08-15 | International Business Machines Corporation | Tunable superconducting resonator for quantum computing devices |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU747370A1 (en) * | 1978-11-28 | 1982-09-23 | Организация П/Я В-8466 | Multicomponent superconducting bolometer |
| US6710343B2 (en) * | 2000-03-22 | 2004-03-23 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Photon detector |
| US6812464B1 (en) * | 2000-07-28 | 2004-11-02 | Credence Systems Corporation | Superconducting single photon detector |
| RU2327253C2 (en) * | 2006-08-15 | 2008-06-20 | Закрытое акционерное общество "Сверхпроводящие нанотехнологии" (ЗАО "Сконтел") | Quick-response superconducting single photon detector with stripe resistors |
| RU2346357C1 (en) * | 2007-06-26 | 2009-02-10 | Закрытое акционерное общество "Сверхпроводниковые нанотехнологии" (ЗАО "СКОНТЕЛ") | Superconducting photon-counting detector for visible and infrared spectral range |
-
2015
- 2015-11-02 RU RU2015147036A patent/RU2609729C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU747370A1 (en) * | 1978-11-28 | 1982-09-23 | Организация П/Я В-8466 | Multicomponent superconducting bolometer |
| US6710343B2 (en) * | 2000-03-22 | 2004-03-23 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Photon detector |
| US6812464B1 (en) * | 2000-07-28 | 2004-11-02 | Credence Systems Corporation | Superconducting single photon detector |
| RU2327253C2 (en) * | 2006-08-15 | 2008-06-20 | Закрытое акционерное общество "Сверхпроводящие нанотехнологии" (ЗАО "Сконтел") | Quick-response superconducting single photon detector with stripe resistors |
| RU2346357C1 (en) * | 2007-06-26 | 2009-02-10 | Закрытое акционерное общество "Сверхпроводниковые нанотехнологии" (ЗАО "СКОНТЕЛ") | Superconducting photon-counting detector for visible and infrared spectral range |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2745295C1 (en) * | 2018-01-30 | 2021-03-23 | Токемек Энерджи Лтд | Control and measuring device for the cryogenic system |
| US11114230B2 (en) | 2018-01-30 | 2021-09-07 | Tokamak Energy Ltd. | Monitoring device for cryogenic device |
| US11727295B2 (en) | 2019-04-02 | 2023-08-15 | International Business Machines Corporation | Tunable superconducting resonator for quantum computing devices |
| RU2793744C1 (en) * | 2022-04-22 | 2023-04-05 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Single-photon video camera of the visible and infrared ranges based on a superconducting line |
| RU217971U1 (en) * | 2022-06-08 | 2023-04-27 | Виктор Баирович Лубсанов | Low Power Broadband Microwave Superconducting Detector |
| RU2796914C1 (en) * | 2022-06-10 | 2023-05-29 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана (национальный исследовательский университет)"(МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Superconductor single photon 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 | |
| Yang et al. | Modeling the electrical and thermal response of superconducting nanowire single-photon detectors | |
| US20200256722A1 (en) | Photon number resolving superconducting detector | |
| US20130172195A1 (en) | Optical detectors and associated systems and methods | |
| JP2009175124A (en) | Plasmon resonance detector | |
| JP6279589B2 (en) | Laser power and energy sensors using anisotropic thermoelectric materials | |
| RU2609729C1 (en) | Superconducting single-photon detector having controlled memory effect | |
| US10381402B2 (en) | Single photon detection device | |
| RU2327253C2 (en) | Quick-response superconducting single photon detector with stripe resistors | |
| Ejrnaes et al. | Observation of dark pulses in 10 nm thick YBCO nanostrips presenting hysteretic current voltage characteristics | |
| Karasik et al. | Record-low NEP in hot-electron titanium nanobolometers | |
| RU2346357C1 (en) | Superconducting photon-counting detector for visible and infrared spectral range | |
| Kitaygorsky et al. | Origin of dark counts in nanostructured NbN single-photon detectors | |
| Kitaygorsky et al. | Amplitude distributions of dark counts and photon counts in NbN superconducting single-photon detectors integrated with the HEMT readout | |
| Lawrie et al. | Multifunctional superconducting nanowire quantum sensors | |
| Semenov et al. | Intrinsic quantum efficiency and electro-thermal model of a superconducting nanowire single-photon detector | |
| Manova et al. | Superconducting photon counter for nanophotonics applications | |
| JP2009021478A (en) | Particle and photon detector | |
| JP2014216430A (en) | Superconducting single photon detector and structure determination method of light-receiving wiring | |
| Wolff et al. | Waveguide-integrated superconducting nanowire singlephoton detector array for ultra-fast quantum key distribution | |
| RU2641621C2 (en) | Ultrafast and ultrasensitive hybrid superconducting waveguide single-photon detector with low dark count rate | |
| EP3714245B1 (en) | Cryogenic microwave analyzer | |
| Engel et al. | Dark counts of a superconducting single-photon detector | |
| Zhao et al. | A single-photon imager based on microwave plasmonic superconducting nanowire | |
| Chong | A brief review on the recent progress of superconducting nanowire single photon detectors |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20181103 |