一种无需射频放大器的超导纳米线单光子探测器系统技术方案

本发明专利技术公开了一种无需射频放大器的超导纳米线单光子探测器系统，包括：单模光纤，单模光纤将光源出射的光导入到闭循环制冷机中，闭循环制冷机内设置有SNSPD，通过同轴电缆电连接偏置T，还设置有与SNSPD配合工作的光纤聚焦器，光纤聚焦器连接单模光纤末端；偏置电流由低噪声稳压源和与稳压源串联的低噪声电阻组成的直流源提供，电流经由偏置T的射频与直流端进入SNSPD中，当被光子触发产生响应脉冲时，局部变为阻态，脉冲信号迅速由偏置T的射频端流出；利用示波器采集脉冲波形，进行光子计数，有效避免传统SNSPD读出电路由于交流耦合效应限制的最大光子计数。本发明专利技术在读出电路不使用射频放大器的前提下在示波器上显示脉冲波形，实现输出脉冲的自我放大。

【技术实现步骤摘要】
一种无需射频放大器的超导纳米线单光子探测器系统
本专利技术涉及光电子器件领域，尤其涉及一种超导纳米线单光子探测器系统，该系统无需射频放大器。
技术介绍
超导纳米线单光子探测器(SNSPD)是21世纪初新兴的一种单光子探测器，相比于以往的光电倍增管(PMT)以及雪崩二极管探测器(APD)，它利用超导材料的超导转变特性将光信号转化成电信号，通过电信号计数实现光子计数。该种探测器具有探测速率高、器件效率高、计数率高、暗计数率低、以及时域抖动小的优点，已在许多领域得到广泛应用，比如：光子计数通信、生物医学成像、以及时间分辨光谱领域。传统SNSPD系统中，SNSPD器件结构为回形线结构，读出电路中有射频放大器以提高输出脉冲的信噪比。但是，系统的最大计数率受限。光子计数率是SNSPD系统的一项重要指标，它受到以下三个方面的制约：(1)传统SNSPD的读出电路属于交流耦合电路，射频放大器和SNSPD之间的电容耦合效应会减小SNSPD的临界电流，限制它的最大计数率。这种交流耦合效应可以通过使用直流耦合放大电路来移除，达到SNSPD计数率的第二层制约。(2)由动态电感制约的器件响应速度。SNSPD的电学时间常数为动态电感与50欧姆等效电阻的比值，通过减小电学时间常数可以提高响应速度，进一步实现最高光子计数，直到达到SNSPD计数率的第三层制约。(3)由热学时间常数制约SNSPD正常工作的最快响应速度。其中，第一层与第二层制约可以通过合理设计器件结构与读出电路来移除。因此，合理设计一个SNSPD系统，移除影响光子计数率的制约因素，对SNSPD实现最大光子计数有重要意义。专利技术内容本专利技术提供了一种无需射频放大器的超导纳米线单光子探测器系统，该SNSPD与电流库在结构上进行集成，可以在不使用射频放大器的前提下实现输出脉冲的自我放大，且总体动态电感减小，提高了器件响应速度；去掉射频放大器利用示波器采集脉冲波形，进行光子计数，有效避免了传统SNSPD读出电路由于交流耦合效应限制的最大光子计数。详见下文描述：一种无需射频放大器的超导纳米线单光子探测器系统，包括：单模光纤，单模光纤将光源出射的光导入到闭循环制冷机中，闭循环制冷机内设置有SNSPD，SNSPD通过同轴电缆电连接偏置T，还设置有与SNSPD配合工作的光纤聚焦器，光纤聚焦器连接单模光纤末端；SNSPD的偏置电流由低噪声稳压源和与稳压源串联的低噪声电阻组成的直流源提供，电流经由偏置T的射频与直流端进入SNSPD中；当SNSPD被光子触发产生响应脉冲时，局部变为阻态，脉冲信号迅速由偏置T的射频端流出；利用示波器采集脉冲波形，进行光子计数，有效避免传统SNSPD读出电路由于交流耦合效应限制的最大光子计数。进一步地，所述SNSPD与电流库在结构上集成，在不使用射频放大器的前提下实现输出脉冲的自我放大。具体实现时，所述SNSPD由第一、第二、第三纳米线构成。其中，所述光子计数包括：1)将示波器存储的脉冲信号保存为.csv文件，文件中的数据为不同采样点处对应的幅值；用matlab的csvread命令读取文件，每读取一个文件，利用matlab中的findpeaks函数查找脉冲峰值；2)对找到的脉冲峰值进行判断，若脉冲峰值超过阈值电平，则为一个脉冲，对一个文件中的脉冲个数进行识别计数，并对几百个文件的脉冲个数做统计平均。进一步地，去掉放大器后避免了传统读出电路的电容耦合效应，SNSPD的偏置电流从48.5μA提高至50.5μA，计数率进一步提高，器件效率从26％提高至32％。进一步地，所述系统在保持效率的前提下，实现电路简化，且去除了电容耦合效应。本专利技术提供的技术方案的有益效果是：1、该SNSPD在器件结构上与电流库集成，放大了脉冲信号，可以在读出电路不使用射频放大器的前提下在示波器上显示脉冲波形，实现输出脉冲的自我放大；2、读出电路上，去掉射频放大器，利用示波器存储足够时长的脉冲波形作为一帧，统计几百帧，编写程序识别脉冲个数实现了光子计数；3、通过将上述方式与传统读出电路(使用射频放大器的读出电路)计数对比，发现上述计数方式与传统计数方式的计数结果一致，且去除了传统电路的电容耦合效应；4、该读出方式可以使SNSPD达到更高的偏置电流，该器件结构还能降低SNSPD的整体动态电感，减小电学时间常数，进一步为实现SNSPD的高计数率提供了可能。附图说明图1为无需射频放大器的SNSPD系统的结构示意图；图2为SNSPD扫描电子显微镜照片图；图3为SNSPD在不加放大器时的输出脉冲波形的示意图；图4为以50μs时间间隔为一帧，采集的脉冲波形的示意图；图5为在采样样本数是200的前提下，不同的一帧时长计数的结果比较示意图；图6为在一帧时长50μs前提下，不同的采样样本数计数的结果比较示意图；图7为SNSPD在不加放大器与加放大器时的计数结果比较示意图；图8为SNSPD在不加放大器与加放大器时的器件效率结果比较示意图。附图中，各部件的列表如下所示：1：单模光纤；2：闭循环制冷机；3：偏置T；4：低噪声稳压源；5：100kΩ电阻；6：示波器；7：光源；其中，闭循环制冷机2包括如下器件：21：SNSPD；22：同轴电缆；23：光纤聚焦器；其中，SNSPD21包括如下器件：211：第一纳米线；212：第二纳米线；213：第三纳米线。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。实施例1一种无需射频放大器的超导纳米线单光子探测器系统，包括：单模光纤1、闭循环制冷机2、偏置T3、低噪声稳压源4、100kΩ电阻5、以及示波器6；其中，闭循环制冷机2内设置有SNSPD21，SNSPD21通过同轴电缆22电连接偏置T3，还设置有与SNSPD21配合工作的光纤聚焦器23。其中，该超导纳米线单光子探测器SNSPD21与电流库(本领域技术人员所公知的技术术语，本专利技术实施例对此不做赘述)在结构上集成，在不使用射频放大器的前提下实现输出脉冲的自我放大。如图1所示，为该无需射频放大器的SNSPD系统。光源7出射的光由标准的单模光纤1导入闭循环制冷机2中，单模光纤1末端接有光纤聚焦器23，光经过光纤聚焦器23后，广泛入射到样品上。闭循环制冷机2中的SNSPD21的偏置电流由低噪声稳压源4和与稳压源4串联的低噪声电阻5(100kΩ)组成的直流源提供，电流经由偏置T3的射频与直流端进入SNSPD21中。当SNSPD21被光子触发产生响应脉冲时，局部变为阻态，脉冲信号迅速由偏置T3的射频端流出。去掉射频放大器利用示波器6采集脉冲波形，进行光子计数，有效避免了传统SNSPD读出电路由于交流耦合效应限制的最大光子计数。进一步地，该种结构的SNSPD21扫描电子显微镜照片如图2所示，211、212、213分别对应第一、第二、第三纳米线。其器件结构为：光敏区纳米线作为第一纳米线211，形状为传统回形纳米线，与第二纳米线212并联，第二纳米线212与第一纳米线211的宽度比值为N(N>1)。并联支路上同时串联第三纳米线213，第三纳米线213的宽度为第一纳米线211和第二纳米线212的宽度之和。其中，第一纳米线211用于探测光子，第二纳米线212用于存储电流，实现对脉冲信本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无需射频放大器的超导纳米线单光子探测器系统，包括：单模光纤，其特征在于，单模光纤将光源出射的光导入到闭循环制冷机中，闭循环制冷机内设置有SNSPD，SNSPD通过同轴电缆电连接偏置T，还设置有与SNSPD配合工作的光纤聚焦器，光纤聚焦器连接单模光纤末端；SNSPD的偏置电流由低噪声稳压源和与稳压源串联的低噪声电阻组成的直流源提供，电流经由偏置T的射频与直流端进入SNSPD中；当SNSPD被光子触发产生响应脉冲时，局部变为阻态，脉冲信号迅速由偏置T的射频端流出；利用示波器采集脉冲波形，进行光子计数，有效避免传统SNSPD读出电路由于交流耦合效应限制的最大光子计数。

【技术特征摘要】
1.一种无需射频放大器的超导纳米线单光子探测器系统，包括：单模光纤，其特征在于，单模光纤将光源出射的光导入到闭循环制冷机中，闭循环制冷机内设置有SNSPD，SNSPD通过同轴电缆电连接偏置T，还设置有与SNSPD配合工作的光纤聚焦器，光纤聚焦器连接单模光纤末端；SNSPD的偏置电流由低噪声稳压源和与稳压源串联的低噪声电阻组成的直流源提供，电流经由偏置T的射频与直流端进入SNSPD中；当SNSPD被光子触发产生响应脉冲时，局部变为阻态，脉冲信号迅速由偏置T的射频端流出；利用示波器采集脉冲波形，进行光子计数，有效避免传统SNSPD读出电路由于交流耦合效应限制的最大光子计数。2.根据权利要求1所述的一种无需射频放大器的超导纳米线单光子探测器系统，其特征在于，所述SNSPD与电流库在结构上集成，在不使用射频放大器的前提下实现输出脉冲的自我放大。3.根据权利要求1所述的一种无需射频放大器的超导纳米线单光子探测器系统，其特征在于，所述SNSPD由第一、第二、...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡小龙，迟晓铭，邹锴，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12