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適用于超導(dǎo)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】本實(shí)用新型公開了一種適用于超導(dǎo)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(hào)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(hào)等分為二路，一路信號(hào)經(jīng)過射頻放大回路至外部檢測儀器，另一路信號(hào)經(jīng)過直流偏置回路中的偏置器的射頻端口泄放至匹配的負(fù)載上。本實(shí)用新型解決了射頻放大器前端電容對(duì)于探測器最大計(jì)數(shù)率的限制，并且避免了探測器進(jìn)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(dǎo)納米線單光子探測器的室溫讀出電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種讀出電路，特別涉及一種適用于超導(dǎo)納米線單光子探測器的 室溫讀出電路。
【背景技術(shù)】
[0002]超導(dǎo)納米線單光子探測器(superconducting-nanowiresingle-photon detector, SNSPD)是一種新型的單光子探測器。探測器感光部分使用超導(dǎo)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(shí)需要被偏置在超導(dǎo)臨界電流之下。當(dāng)納米線 條吸收光子后，吸收區(qū)域的超導(dǎo)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(fù)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(hào)放大，我們就可以鑒別單光子的到達(dá)。
[0003]相比于半導(dǎo)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(dǎo)材料，需 要工作在極低溫環(huán)境下，其暗計(jì)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(shí)間抖動(dòng)小于50ps，理論重復(fù)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(jìn)，這種探測器還可以衍生出光子數(shù)分辨的能力。基于超導(dǎo) 納米線單光子探測器突出的性能，近幾年來，它被應(yīng)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(biāo)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(gè)數(shù)稱為計(jì)數(shù)率。隨著SNSro探測效率的提高，在同樣 光強(qiáng)的情況下，探測器的計(jì)數(shù)率將逐步提高；同時(shí)，在一些入射光強(qiáng)度高于單光子量級(jí)的應(yīng) 用下，探測器的計(jì)數(shù)率也隨著光強(qiáng)增加而增加。由于探測器輸出信號(hào)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(duì)放大器靜態(tài)偏置的影響，隨著探 測器計(jì)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(dāng)探測器的偏置電流高于其臨界電流時(shí)，探測器進(jìn)入電阻鎖定狀態(tài)而不能再響應(yīng) 光子；同時(shí)，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(yīng)也帶來了探測器探測 效率同入射光強(qiáng)的非線性效應(yīng)。
[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(duì)計(jì)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(shè)計(jì)，在工程上存在難度，也不易于實(shí)際應(yīng)用與調(diào)試。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0006]實(shí)用新型目的:針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題和不足，本實(shí)用新型的目的是提供 一種適用于超導(dǎo)納米線單光子探測器的室溫讀出電路。
[0007]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述實(shí)用新型目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為一種適用于 超導(dǎo)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(hào)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(hào)等分為二路，一路信號(hào)經(jīng)過射頻放大回路至外部檢測儀器，另一路信號(hào)經(jīng)過直流偏置回路中的偏置器的射頻端口泄放至匹配的負(fù)載上。
[0008]進(jìn)一步的，所述探測器安裝在制冷裝置(例如循環(huán)制冷機(jī)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(jìn)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(hào)和直流信號(hào)分開。
[0009]進(jìn)一步的，所述功分器為電阻型功分器。
[0010]進(jìn)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(fù)載，所述同軸線和短路負(fù)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(diǎn)選擇，典型值為10cm。[0011]更進(jìn)一步的，所述射頻放大器使用交流耦合方式。
[0012]更進(jìn)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(jìn)一步的，所述直流偏置回路包括依次連接的偏置器、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(jìn)一步的，所述偏置器的射頻和直流公共端口接功分器的第一分束端口，所述偏置器的射頻輸出端口接500的匹配負(fù)載，所述偏置器的直流接入端口接IOOkfl的偏置電阻和可調(diào)電壓源。
[0015]更進(jìn)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(duì)探測器進(jìn)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(hào)的保持，但對(duì)其計(jì)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(gè)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§5 GHz，端口駐波比小于[email protected] GHz。
[0018]所述射頻放大器用來放大探測器的輸出信號(hào)，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 dBilO MHz。
[0019]所述同軸反射線用來消除探測器的輸出信號(hào)對(duì)于放大器隔直電容的充電效應(yīng)。同軸線長度典型值為10cm，可根據(jù)探測器的輸出信號(hào)調(diào)整，其末端使用短路負(fù)載連接之。
[0020]所述偏置器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(hào)，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:本實(shí)用新型巧妙的利用了 SNSPD的輸出特點(diǎn)，使用功分器中的電阻網(wǎng)絡(luò)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(hào)對(duì)電容的充電效應(yīng)，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(duì)于探測器最大計(jì)數(shù)率的限制，并且避免了探測器進(jìn)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為本實(shí)用新型電路示意圖；
[0024]圖2a)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；
[0025]圖3為使用本實(shí)用新型電路，在四種不同偏置電流下，計(jì)數(shù)率同入射光強(qiáng)的關(guān)系 曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本實(shí)用新型，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于 說明本實(shí)用新型而不用于限制本實(shí)用新型的范圍，在閱讀了本實(shí)用新型之后，本領(lǐng)域技術(shù) 人員對(duì)本實(shí)用新型的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0027]以安裝在G-M制冷機(jī)中的SNSH)為例，介紹電路的安裝過程。如圖1所示。首先， 將功分器合并端口安裝到制冷機(jī)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器的射頻和直 流公共端口。偏置器可選用MiniCircuit公司產(chǎn)品ZX85-12G+。偏置器的射頻輸出端口連 接一 50Q匹配負(fù)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(hào)。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(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)探測器的計(jì)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(jí)聯(lián)得到所需長 度，其末端連接一短路負(fù)載，同軸線和短路負(fù)載構(gòu)成同軸反射線。
[0028]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(hào)接入制冷機(jī)光纖接口，使光信號(hào)通過制冷機(jī)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(yīng) 后的脈沖波形，如圖2a)和b)所示?？梢钥闯觯}沖的半高寬僅為1ns，減小了對(duì)射頻放大 器輸入端的充電效應(yīng)。
[0029]圖3給出了使用本實(shí)用新型電路后，SNSH)輸出計(jì)數(shù)率同入射光強(qiáng)的關(guān)系。實(shí)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(jì)數(shù)率曲線?？梢钥?出，使用本實(shí)用新型電路后，在很高的入射光強(qiáng)下，探測器依然可以給出持續(xù)的響應(yīng)，計(jì)數(shù) 率僅受到探測器恢復(fù)時(shí)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(dǎo)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(hào) 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(hào)等分為二路，一路信號(hào) 經(jīng)過射頻放大回路至外部檢測儀器，另一路信號(hào)經(jīng)過直流偏置回路中的偏置器的射頻端口 泄放至匹配的負(fù)載上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述適用于超導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(fù)載，所述同軸線和短路負(fù)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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器、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(dǎo)納米線單光子探測器的室溫讀出電路，其特征在 于，所述偏置器的射頻和直流公共端口接功分器的第一分束端口，所述偏置器的射頻輸出 端口接50Q的匹配負(fù)載，所述偏置器的直流接入端口接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(dǎo)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(duì)探測器進(jìn)行恒流源偏置。
【文檔編號(hào)】G01J11/00GK203422164SQ201320567134
【公開日】2014年2月5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(xué)