適用于超導納米線單光子探測器的室溫讀出電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種適用于超導納米線單光子探測器的室溫讀出電路，包括由探測器到外部檢測儀器的同軸線、功分器、直流偏置回路和射頻放大回路；所述探測器的輸出信號通過同軸線由低溫工作區(qū)傳輸至室溫環(huán)境；所述功分器將輸出信號等分為二路，一路信號經(jīng)過射頻放大回路至外部檢測儀器，另一路信號經(jīng)過直流偏置回路中的偏置束的射頻端口泄放至匹配的負載上。本發(fā)明解決了射頻放大器前端電容對于探測器最大計數(shù)率的限制，并且避免了探測器進入鎖定狀態(tài)，有效的提高了探測器的工作穩(wěn)定性。
【專利說明】適用于超導納米線單光子探測器的室溫讀出電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種讀出電路，特別涉及一種適用于超導納米線單光子探測器的室溫讀出電路。
【背景技術(shù)】
[0002]超導納米線單光子探測器(superconducting-nanowiresingle-photondetector, SNSPD)是一種新型的單光子探測器。探測器感光部分使用超導薄膜，例如氮化鈮薄膜，制備成的納米線構(gòu)成。探測器工作時需要被偏置在超導臨界電流之下。當納米線條吸收光子后，吸收區(qū)域的超導態(tài)被破壞，在電路上表現(xiàn)為流經(jīng)探測器上電流突然下降。隨后納米線條經(jīng)過冷卻過程，恢復到初始狀態(tài)。探測器吸收光子的過程在電路上表現(xiàn)為一快速上升，隨后指數(shù)衰減的電脈沖。通過將此脈沖信號放大，我們就可以鑒別單光子的到達。
[0003]相比于半導體單光子探測器中常用的雪崩二極管和光電倍增管，經(jīng)過近年來的發(fā)展SNSPD的性能大大提高。在探測效率上，使用氮化鈮材料制備的探測器，其探測效率>70%，使用鎢化硅材料制備的探測器，其探測效率>90%。由于此種探測器使用超導材料，需要工作在極低溫環(huán)境下，其暗計數(shù)小于100Hz。探測器吸收光子的瞬態(tài)過程快，僅為IOOps左右，時間抖動小于50ps，理論重復速率大于100MHz。此種探測器工作在常開模式下，不需要門控電路。經(jīng)過結(jié)構(gòu)上的改進，這種探測器還可以衍生出光子數(shù)分辨的能力?；诔瑢Ъ{米線單光子探測器突出的性能，近幾年來，它被應用于量子保密通訊、集成電路檢測、生物熒光檢測、單光子源標定、分布式光纖傳感、深度成像等領(lǐng)域。
[0004]每秒內(nèi)探測器輸出脈沖的個數(shù)稱為計數(shù)率。隨著SNSro探測效率的提高，在同樣光強的情況下，探測器的計數(shù)率將逐步提高；同時，在一些入射光強度高于單光子量級的應用下，探測器的計數(shù)率也隨著光強增加而增加。由于探測器輸出信號需要經(jīng)過射頻放大器放大，而射頻放大器多使用交流耦合模式來隔斷輸入端對放大器靜態(tài)偏置的影響，隨著探測器計數(shù)率的提高，隔直電容將被輸入脈沖持續(xù)充電，積累電勢。此電勢將提高探測器的偏置電流。當探測器的偏置電流高于其臨界電流時，探測器進入電阻鎖定狀態(tài)而不能再響應光子；同時，由于探測器的探測效率同偏置電流有關(guān)，電容的充電效應也帶來了探測器探測效率同入射光強的非線性效應。
[0005]通過在探測器芯片附近使用直流耦合放大器，可以避免在探測器輸出回路上使用電容，從而消除電容對計數(shù)率的限制。但此直流耦合放大器需要貼近探測器芯片，共同工作在低溫環(huán)境下，此類放大器需要自主設計，在工程上存在難度，也不易于實際應用與調(diào)試。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明目的:針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題和不足，本發(fā)明的目的是提供一種適用于超導納米線單光子探測器的室溫讀出電路。
[0007]技術(shù)方案:為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種適用于超導納米線單光子探測器的室溫讀出電路，包括由探測器到外部檢測儀器的同軸線、功分器、直流偏置回路和射頻放大回路；所述探測器的輸出信號通過同軸線由低溫工作區(qū)傳輸至室溫環(huán)境；所述功分器將輸出信號等分為二路，一路信號經(jīng)過射頻放大回路至外部檢測儀器，另一路信號經(jīng)過直流偏置回路中的偏置束的射頻端口泄放至匹配的負載上。
[0008]進一步的，所述探測器安裝在制冷裝置(例如循環(huán)制冷機等)的內(nèi)部，所述探測器通過制冷裝置的同軸電纜接口的一側(cè)連接室溫讀出電路。更進一步的，所述制冷裝置的同軸電纜接口的另一側(cè)接功分器的合并端口，所述功分器的第一分束端口接直流偏置回路，所述功分器的第二分束端口接射頻放大回路，將射頻信號和直流信號分開。
[0009]進一步的，所述功分器為電阻型功分器。
[0010]進一步的，所述射頻放大回路包括射頻放大器和同軸反射線，所述射頻放大器的輸入前端接同軸線，所述同軸線的末端接短路負載，所述同軸線和短路負載構(gòu)成同軸反射線。該同軸線的長度根據(jù)探測器輸出特點選擇，典型值為10cm。
[0011]更進一步的，所述射頻放大器使用交流耦合方式。
[0012]更進一步的，所述同軸線通過SMA三通接頭并聯(lián)在射頻放大器的輸入端。
[0013]進一步的，所述直流偏置回路包括依次連接的偏置束、偏置電阻和可調(diào)電壓源，為探測器提供恒定的電流偏置。
[0014]更進一步的，所述偏置束的射頻和直流公共端口接功分器的第一分束端口，所述偏置束的射頻輸出端口接50D_的匹配負載，所述偏置束的直流接入端口接IOOkn的偏置電阻和可調(diào)電壓源。
[0015]更進一步的，所述可調(diào)電壓源為可調(diào)直流電壓源，通過串聯(lián)電阻對探測器進行恒流源偏置。
[0016]所述同軸線為常用的500同軸線，工作頻率>5GHz，衰減小的同軸線將有助于探測器輸出信號的保持，但對其計數(shù)率的提升無關(guān)。
[0017]所述功分器優(yōu)選為電阻型功分器，使用Delta電阻連接方式。典型參數(shù):三個端口匹配阻抗為500，帶寬DC-10 GHz，插入損耗小于6.7 dB§5 GHz，端口隔離度小于6.1 dB§5GHz，端口駐波比小于1.2@5 GHz。
[0018]所述射頻放大器用來放大探測器的輸出信號，其使用AC耦合方式，典型參數(shù):輸入、輸出電阻為50fi,帶寬I KHz-1 GHz，增益41 dB，輸入駐波比小于2，噪聲系數(shù)1.3 dBilOMHz。
[0019]所述同軸反射線用來消除探測器的輸出信號對于放大器隔直電容的充電效應。同軸線長度典型值為10cm，可根據(jù)探測器的輸出信號調(diào)整，其末端使用短路負載連接之。
[0020]所述偏置束的射頻和直流公共端口接功分器，射頻輸出端口接son電阻用來泄放射頻信號，直流接入端口用來給探測器提供偏置電流。
[0021]所述偏置電阻和可調(diào)電壓源用來提供恒定電流。偏置電阻的典型值為IOOkfl,可調(diào)電壓源根據(jù)探測器臨界電流調(diào)整電壓輸出。
[0022]有益效果:本發(fā)明巧妙的利用了 SNSro的輸出特點，使用功分器中的電阻網(wǎng)絡構(gòu)造出平衡電路，在直流狀態(tài)下隔離探測器同外部放大器；使用同軸反射線減弱了芯片輸出信號對電容的充電效應，并且能夠泄放探測器上的低頻電流。最終解決了射頻放大器前端電容對于探測器最大計數(shù)率的限制，并且避免了探測器進入鎖定狀態(tài)，有效的提高了探測器的工作穩(wěn)定性?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明電路示意圖；
圖2為本發(fā)明電路實物圖；
圖3a)為使用本發(fā)明電路輸出單次脈沖波形圖，b)為使用本發(fā)明電路輸出平均脈沖波形圖；
圖4為使用本發(fā)明電路，在四種不同偏置電流下，計數(shù)率同入射光強的關(guān)系曲線?！揪唧w實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和具體實施例，進一步闡明本發(fā)明，應理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0025]以安裝在G-M制冷機中的SNSH)為例，介紹電路的安裝過程。如圖1和圖2所示。首先，將功分器合并端口安裝到制冷機的同軸接口處，同軸接口另一端已連接SNSro芯片。功分器可選用MiniCircuit公司產(chǎn)品ZX10R-14+。功分器第一分束端口連接偏置束的射頻和直流公共端口。偏置束可選用MiniCircuit公司產(chǎn)品ZX85-12G+。偏置束的射頻輸出端口連接一 500匹配負載，直流接入端口連接一電感線圈。電感線圈另一端連接偏置源。偏置源由一電壓源串聯(lián)IOOkfl電阻構(gòu)成，電壓源可選用Keithley公司產(chǎn)品2400。功分器的第一分束端口連接一 SMA三通接頭。三通接頭的一端連接射頻放大器，用來放大SNSH)信號。射頻放大器可選用MITEQ公司產(chǎn)品AM-1431。射頻放大器的輸出端可以連接示波器用于讀取波形數(shù)據(jù)，或者連接計數(shù)器統(tǒng)計探測器的計數(shù)率；射頻放大器的電源偏置端連接一外部穩(wěn)壓電源。三通接頭另外一端連接一段同軸線。同軸線可以使用SMA轉(zhuǎn)接頭級聯(lián)得到所需長度，其末端連接一短路負載，同軸線和短路負載構(gòu)成同軸反射線。
[0026]電路安裝好后，打開射頻放大器電源，調(diào)整偏置源，將其輸出電流控制在SNSro芯片臨界電流Ic之下。將待檢測光信號接入制冷機光纖接口，使光信號通過制冷機內(nèi)部光纖入射到SNSro芯片敏感區(qū)域。將射頻放大器的輸出端接入示波器，即可以獲得SNSro響應后的脈沖波形，如圖3a)和b)所示。可以看出，脈沖的半高寬僅為1ns，減小了對射頻放大器輸入端的充電效應。
[0027]圖4給出了使用本發(fā)明電路后，SNSH)輸出計數(shù)率同入射光強的關(guān)系。實例中，我們測量了四組偏置電流(0.70/c,0.75/c,0.80/c 0.85/。)下的計數(shù)率曲線?？梢钥闯?，使用本發(fā)明電路后，在很高的入射光強下，探測器依然可以給出持續(xù)的響應，計數(shù)率僅受到探測器恢復時間的限制，與讀出電路無關(guān)。
【權(quán)利要求】
1.一種適用于超導納米線單光子探測器的室溫讀出電路，其特征在于，包括由探測器到外部檢測儀器的同軸線、功分器、直流偏置回路和射頻放大回路；所述探測器的輸出信號通過同軸線由低溫工作區(qū)傳輸至室溫環(huán)境；所述功分器將輸出信號等分為二路，一路信號經(jīng)過射頻放大回路至外部檢測儀器，另一路信號經(jīng)過直流偏置回路中的偏置束的射頻端口泄放至匹配的負載上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述適用于超導納米線單光子探測器的室溫讀出電路，其特征在于，所述探測器安裝在制冷裝置的內(nèi)部，所述探測器通過制冷裝置的同軸電纜接口的一側(cè)連接室溫讀出電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述適用于超導納米線單光子探測器的室溫讀出電路，其特征在于，所述制冷裝置的同軸電纜接口的另一側(cè)接功分器的合并端口，所述功分器的第一分束端口接直流偏置回路，所述功分器的第二分束端口接射頻放大回路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述適用于超導納米線單光子探測器的室溫讀出電路，其特征在于，所述功分器為電阻型功分器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述適用于超導納米線單光子探測器的室溫讀出電路，其特征在于，所述射頻放大回路包括射頻放大器和同軸反射線，所述射頻放大器的輸入前端接同軸線，所述同軸線的末端接短路負載，所述同軸線和短路負載構(gòu)成同軸反射線。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述適用于超導納米線單光子探測器的室溫讀出電路，其特征在于，所述射頻放大器使用交流耦合方式。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述適用于超導納米線單光子探測器的室溫讀出電路，其特征在于，所述同軸線通過SMA三通接頭并聯(lián)在射頻放大器的輸入端。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述適用于超導納米線單光子探測器的室溫讀出電路，其特征在于，所述直流偏置回路包括依次連接的偏置束、偏置電阻和可調(diào)電壓源。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述適用于超導納米線單光子探測器的室溫讀出電路，其特征在于，所述偏置束的射頻和直流公共端口接功分器的第一分束端口，所述偏置束的射頻輸出端口接50C1的匹配負載，所述偏置束的直流接入端口接IOOkQ的偏置電阻和可調(diào)電壓源。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述適用于超導納米線單光子探測器的室溫讀出電路，其特征在于，所述可調(diào)電壓源為可調(diào)直流電壓源，通過串聯(lián)電阻對探測器進行恒流源偏置。
【文檔編號】G01J11/00GK103439012SQ201310415784
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月13日
【發(fā)明者】趙清源, 陳健, 張蠟寶, 康琳, 吳培亨 申請人:南京大學