适用于超导纳米线单光子探测器的室温读出电路的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种适用于超导纳米线单光子探测器的室温读出电路，包括由探测器到外部检测仪器的同轴线、功分器、直流偏置回路和射频放大回路；所述探测器的输出信号通过同轴线由低温工作区传输至室温环境；所述功分器将输出信号等分为二路，一路信号经过射频放大回路至外部检测仪器，另一路信号经过直流偏置回路中的偏置器的射频端口泄放至匹配的负载上。本实用新型解决了射频放大器前端电容对于探测器最大计数率的限制，并且避免了探测器进入锁定状态，有效的提高了探测器的工作稳定性。
【专利说明】适用于超导纳米线单光子探测器的室温读出电路
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种读出电路，特别涉及一种适用于超导纳米线单光子探测器的 室温读出电路。
【背景技术】
[0002]超导纳米线单光子探测器(superconducting-nanowiresingle-photon detector, SNSPD)是一种新型的单光子探测器。探测器感光部分使用超导薄膜，例如氮化 铌薄膜，制备成的纳米线构成。探测器工作时需要被偏置在超导临界电流之下。当纳米线 条吸收光子后，吸收区域的超导态被破坏，在电路上表现为流经探测器上电流突然下降。随 后纳米线条经过冷却过程，恢复到初始状态。探测器吸收光子的过程在电路上表现为一快 速上升，随后指数衰减的电脉冲。通过将此脉冲信号放大，我们就可以鉴别单光子的到达。
[0003]相比于半导体单光子探测器中常用的雪崩二极管和光电倍增管，经过近年来的 发展SNSPD的性能大大提高。在探测效率上，使用氮化铌材料制备的探测器，其探测效率 >70%，使用钨化硅材料制备的探测器，其探测效率>90%。由于此种探测器使用超导材料，需 要工作在极低温环境下，其暗计数小于100Hz。探测器吸收光子的瞬态过程快，仅为IOOps 左右，时间抖动小于50ps，理论重复速率大于100MHz。此种探测器工作在常开模式下，不需 要门控电路。经过结构上的改进，这种探测器还可以衍生出光子数分辨的能力。基于超导 纳米线单光子探测器突出的性能，近几年来，它被应用于量子保密通讯、集成电路检测、生 物荧光检测、单光子源标定、分布式光纤传感、深度成像等领域。
[0004]每秒内探测器输出脉冲的个数称为计数率。随着SNSro探测效率的提高，在同样 光强的情况下，探测器的计数率将逐步提高；同时，在一些入射光强度高于单光子量级的应 用下，探测器的计数率也随着光强增加而增加。由于探测器输出信号需要经过射频放大器 放大，而射频放大器多使用交流耦合模式来隔断输入端对放大器静态偏置的影响，随着探 测器计数率的提高，隔直电容将被输入脉冲持续充电，积累电势。此电势将提高探测器的偏 置电流。当探测器的偏置电流高于其临界电流时，探测器进入电阻锁定状态而不能再响应 光子；同时，由于探测器的探测效率同偏置电流有关，电容的充电效应也带来了探测器探测 效率同入射光强的非线性效应。
[0005]通过在探测器芯片附近使用直流耦合放大器，可以避免在探测器输出回路上使用 电容，从而消除电容对计数率的限制。但此直流耦合放大器需要贴近探测器芯片，共同工作 在低温环境下，此类放大器需要自主设计，在工程上存在难度，也不易于实际应用与调试。
实用新型内容
[0006]实用新型目的:针对上述现有技术存在的问题和不足，本实用新型的目的是提供 一种适用于超导纳米线单光子探测器的室温读出电路。
[0007]技术方案:为实现上述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案为一种适用于 超导纳米线单光子探测器的室温读出电路，包括由探测器到外部检测仪器的同轴线、功分器、直流偏置回路和射频放大回路；所述探测器的输出信号通过同轴线由低温工作区传输至室温环境；所述功分器将输出信号等分为二路，一路信号经过射频放大回路至外部检测仪器，另一路信号经过直流偏置回路中的偏置器的射频端口泄放至匹配的负载上。
[0008]进一步的，所述探测器安装在制冷装置(例如循环制冷机等)的内部，所述探测器通过制冷装置的同轴电缆接口的一侧连接室温读出电路。更进一步的，所述制冷装置的同轴电缆接口的另一侧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频放大回路，将射频信号和直流信号分开。
[0009]进一步的，所述功分器为电阻型功分器。
[0010]进一步的，所述射频放大回路包括射频放大器和同轴反射线，所述射频放大器的输入前端接同轴线，所述同轴线的末端接短路负载，所述同轴线和短路负载构成同轴反射线。该同轴线的长度根据探测器输出特点选择，典型值为10cm。[0011]更进一步的，所述射频放大器使用交流耦合方式。
[0012]更进一步的，所述同轴线通过SMA三通接头并联在射频放大器的输入端。
[0013]进一步的，所述直流偏置回路包括依次连接的偏置器、偏置电阻和可调电压源，为探测器提供恒定的电流偏置。
[0014]更进一步的，所述偏置器的射频和直流公共端口接功分器的第一分束端口，所述偏置器的射频输出端口接500的匹配负载，所述偏置器的直流接入端口接IOOkfl的偏置电阻和可调电压源。
[0015]更进一步的，所述可调电压源为可调直流电压源，通过串联电阻对探测器进行恒流源偏置。
[0016]所述同轴线为常用的500同轴线，工作频率>5GHz，衰减小的同轴线将有助于探测器输出信号的保持，但对其计数率的提升无关。
[0017]所述功分器优选为电阻型功分器，使用Delta电阻连接方式。典型参数:三个端口匹配阻抗为500，带宽DC-10 GHz，插入损耗小于6.7 dB§5 GHz，端口隔离度小于6.1 dB§5 GHz，端口驻波比小于[email protected] GHz。
[0018]所述射频放大器用来放大探测器的输出信号，其使用AC耦合方式，典型参数:输入、输出电阻为50fi,带宽I KHz-1 GHz，增益41 dB，输入驻波比小于2，噪声系数1.3 dBilO MHz。
[0019]所述同轴反射线用来消除探测器的输出信号对于放大器隔直电容的充电效应。同轴线长度典型值为10cm，可根据探测器的输出信号调整，其末端使用短路负载连接之。
[0020]所述偏置器的射频和直流公共端口接功分器，射频输出端口接son电阻用来泄放射频信号，直流接入端口用来给探测器提供偏置电流。
[0021]所述偏置电阻和可调电压源用来提供恒定电流。偏置电阻的典型值为IOOkfl,可调电压源根据探测器临界电流调整电压输出。
[0022]有益效果:本实用新型巧妙的利用了 SNSPD的输出特点，使用功分器中的电阻网络构造出平衡电路，在直流状态下隔离探测器同外部放大器；使用同轴反射线减弱了芯片输出信号对电容的充电效应，并且能够泄放探测器上的低频电流。最终解决了射频放大器前端电容对于探测器最大计数率的限制，并且避免了探测器进入锁定状态，有效的提高了探测器的工作稳定性。【专利附图】

【附图说明】
[0023]图1为本实用新型电路示意图；
[0024]图2a)为使用本发明电路输出单次脉冲波形图，b)为使用本发明电路输出平均脉 冲波形图；
[0025]图3为使用本实用新型电路，在四种不同偏置电流下，计数率同入射光强的关系 曲线。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本实用新型，应理解这些实施例仅用于 说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围，在阅读了本实用新型之后，本领域技术 人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0027]以安装在G-M制冷机中的SNSH)为例，介绍电路的安装过程。如图1所示。首先， 将功分器合并端口安装到制冷机的同轴接口处，同轴接口另一端已连接SNSro芯片。功分 器可选用MiniCircuit公司产品ZX10R-14+。功分器第一分束端口连接偏置器的射频和直 流公共端口。偏置器可选用MiniCircuit公司产品ZX85-12G+。偏置器的射频输出端口连 接一 50Q匹配负载，直流接入端口连接一电感线圈。电感线圈另一端连接偏置源。偏置源 由一电压源串联IOOkfl电阻构成，电压源可选用Keithley公司产品2400。功分器的第一分 束端口连接一 SMA三通接头。三通接头的一端连接射频放大器，用来放大SNSH)信号。射 频放大器可选用MITEQ公司产品AM-1431。射频放大器的输出端可以连接示波器用于读取 波形数据，或者连接计数器统计探测器的计数率；射频放大器的电源偏置端连接一外部稳 压电源。三通接头另外一端连接一段同轴线。同轴线可以使用SMA转接头级联得到所需长 度，其末端连接一短路负载，同轴线和短路负载构成同轴反射线。
[0028]电路安装好后，打开射频放大器电源，调整偏置源，将其输出电流控制在SNSro芯 片临界电流Ic之下。将待检测光信号接入制冷机光纤接口，使光信号通过制冷机内部光纤 入射到SNSro芯片敏感区域。将射频放大器的输出端接入示波器，即可以获得SNSro响应 后的脉冲波形，如图2a)和b)所示。可以看出，脉冲的半高宽仅为1ns，减小了对射频放大 器输入端的充电效应。
[0029]图3给出了使用本实用新型电路后，SNSH)输出计数率同入射光强的关系。实例 中，我们测量了四组偏置电流(0.70/c,0.75/c,0.80/c 0.85/。)下的计数率曲线。可以看 出，使用本实用新型电路后，在很高的入射光强下，探测器依然可以给出持续的响应，计数 率仅受到探测器恢复时间的限制，与读出电路无关。
【权利要求】
1.一种适用于超导纳米线单光子探测器的室温读出电路，其特征在于，包括由探测器 到外部检测仪器的同轴线、功分器、直流偏置回路和射频放大回路；所述探测器的输出信号 通过同轴线由低温工作区传输至室温环境；所述功分器将输出信号等分为二路，一路信号 经过射频放大回路至外部检测仪器，另一路信号经过直流偏置回路中的偏置器的射频端口 泄放至匹配的负载上。
2.根据权利要求1所述适用于超导纳米线单光子探测器的室温读出电路，其特征在 于，所述探测器安装在制冷装置的内部，所述探测器通过制冷装置的同轴电缆接口的一侧 连接室温读出电路。
3.根据权利要求2所述适用于超导纳米线单光子探测器的室温读出电路，其特征在 于，所述制冷装置的同轴电缆接口的另一侧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频放大回路。
4.根据权利要求1所述适用于超导纳米线单光子探测器的室温读出电路，其特征在 于，所述功分器为电阻型功分器。
5.根据权利要求1所述适用于超导纳米线单光子探测器的室温读出电路，其特征在 于，所述射频放大回路包括射频放大器和同轴反射线，所述射频放大器的输入前端接同轴 线，所述同轴线的末端接短路负载，所述同轴线和短路负载构成同轴反射线。
6.根据权利要求5所述适用于超导纳米线单光子探测器的室温读出电路，其特征在 于，所述射频放大器使用交流耦合方式。
7.根据权利要求5所述适用于超导纳米线单光子探测器的室温读出电路，其特征在 于，所述同轴线通过SMA三通接头并联在射频放大器的输入端。
8.根据权利要求1所述适用于超导纳米线单光子探测器的室温读出电路，其特征在 于，所述直流偏置回路包括依次连接的偏置器、偏置电阻和可调电压源。
9.根据权利要求8所述适用于超导纳米线单光子探测器的室温读出电路，其特征在 于，所述偏置器的射频和直流公共端口接功分器的第一分束端口，所述偏置器的射频输出 端口接50Q的匹配负载，所述偏置器的直流接入端口接IOOkQ的偏置电阻和可调电压源。
10.根据权利要求8所述适用于超导纳米线单光子探测器的室温读出电路，其特征在 于，所述可调电压源为可调直流电压源，通过串联电阻对探测器进行恒流源偏置。
【文档编号】G01J11/00GK203422164SQ201320567134
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年9月13日 优先权日:2013年9月13日
【发明者】赵清源, 陈健, 张蜡宝, 康琳, 吴培亨 申请人:南京大学