一种超导纳米线单光子探测器的低温读出方法技术

本发明专利技术公开了一种超导纳米线单光子探测器的低温读出方法，包括低温下的高输入阻抗放大电路、器件底座及偏置板，所述高输入阻抗放大电路通过同轴线进入室温环境，低温下的超导纳米线单光子探测器利用邦定线的方式连接偏置板，所述偏置板通过排针和直流线连接到室温环境中的电流源，所述超导纳米线单光子探测器放置于器件底座上，所述超导纳米线单光子探测器的输出端利用邦定线连接到高输入阻抗放大电路的输入端。本发明专利技术解决了超导纳米线单光子探测器的检测信号微弱、传统50Ω室温读出方式引起的阻抗不匹配和能量损耗问题，可有效提高器件输出信号的脉冲幅度和信噪比，特别是对于串联SNSPD器件，可实现光子数分辨。

A Low Temperature Readout Method for Superconducting Nanowire Single Photon Detector

The invention discloses a low temperature readout method of a superconducting nanowire single photon detector, which includes a high input impedance amplifier circuit, device base and bias plate at low temperature. The high input impedance amplifier circuit enters the room temperature environment through a coaxial line. At low temperature, the superconducting nanowire single photon detector connects the bias plate by a bonding line, and the bias plate is connected by a pin arrangement and a direct current. A wire is connected to a current source in a room temperature environment, and the superconducting nanowire single photon detector is placed on the device base. The output end of the superconducting nanowire single photon detector is connected to the input end of a high input impedance amplifier circuit by a bonding line. The invention solves the problems of weak detection signal of superconducting nanowire single photon detector, impedance mismatch and energy loss caused by traditional 50_room temperature readout mode, and can effectively improve the pulse amplitude and signal-to-noise ratio of the output signal of the device, especially for series SNSPD devices, which can realize photon number resolution.

【技术实现步骤摘要】
一种超导纳米线单光子探测器的低温读出方法
本专利技术涉及一种低温读出方法，特别涉及一种适用于超导纳米线单光子探测器的低温读出方法。
技术介绍
超导纳米线单光子探测器(SNSPD)的效率高达93％，暗计数低至10-4s-1，最大计数率高达100MHz，时间抖动低至16ps，响应光谱从可见光直至红外，和其他单光子探测器相比具有明显的优势。发展SNSPD阵列，实现光子数分辨、时间分辨和空间分辨是SNSPD发展的一大趋势。然而，SNSPD通常工作在很强的非线性模式下，即使有多个光子同时被吸收，也只有一个脉冲信号产生，但在光谱分析、通信、生物成像、宇宙观测和量子信息处理等诸多场合中，不仅需要对入射的光子作出响应，还需要对入射的光子数，甚至光子入射的时间和空间位置进行分辨。串联结构SNSPD的读出，选用特定大小的并联电阻可以实现空间分辨，采用多个串联结构可以进一步提升光子数分辨能力。随着串联结构中像元数量的增加，当所有像元同时受激发时，其阻抗将远大于传统商用放大器的50Ω输入阻抗，会引起由于阻抗不匹配而带来的能量损失。目前已有的超导纳米线单光子探测器的低温读出方式，可以通过16根同轴线利用室温下的商用射频放大器读出8×8多像元阵列的信号，实现对入射光子位置的分辨。此外，利用SFQ这种超导电路在低温环境下对8×8多像元阵列信号进行读出的相关研究工作也在进行当中。但是受同轴线数量和热负载的限制，集成复用的读出方式最终依然会限制阵列的规模，而SFQ设计和制作较为复杂，工作时还需增加额外的磁屏蔽，较为不便。
技术实现思路
专利技术目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本专利技术的目的是提供一种超导纳米线单光子探测器的低温读出方法，解决了超导纳米线单光子探测器的检测信号微弱、传统50Ω室温读出方式引起的阻抗不匹配和能量损耗问题，提高器件输出信号的脉冲幅度和信噪比，特别是对于串联SNSPD器件，可实现光子数分辨。技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术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低温读出方法，包括低温下的高输入阻抗放大电路、器件底座及偏置板，所述高输入阻抗放大电路通过同轴线进入室温环境，低温下的超导纳米线单光子探测器利用邦定线的方式连接偏置板，所述偏置板通过排针和直流线连接到室温环境中的电流源，所述超导纳米线单光子探测器放置于器件底座上，所述超导纳米线单光子探测器的输出端利用邦定线连接到高输入阻抗放大电路的输入端。进一步的，所述超导纳米线单光子探测器、高输入阻抗放大电路及偏置板均放置在制冷机(2.3K)内部相连接。更进一步，所述高输入阻抗放大电路的输出端通过制冷机内部同轴线连接到室温中的示波器。进一步的，所述高输入阻抗放大电路可工作于2.3K极低温环境下，增益可达20dB，且平坦度较好，低温下带宽为100kHz～1.5GHz，功耗只有1mW。更进一步的，所述高输入阻抗放大电路的输入阻抗为一个6.7K的电阻与3.4pF电容并联。进一步的，所述高输入阻抗放大电路由三级增益单元以及缓冲级构成。三级增益单元的作用是为了实现放大功能，同时也能够满足增益和带宽的要求，输出缓冲级的作用主要是增加电路的驱动能力，驱动50欧姆负载。更进一步的，所述高输入阻抗放大电路每一级都采用了差分结构，为了更好抑制共模噪声和电源噪声，获得更好的信噪比。更进一步的，所述高输入阻抗放大电路三级增益单元之间以及增益单元和缓冲级之间均采用耦合电容连接。采用电容耦合的方式可以使得每级电路的直流工作点相对独立，增加电路的灵活性。进一步的，所述高输入阻抗放大电路的偏置通过直流线连接到常温环境中，便于调节电路在低温下的工作点，获得最佳性能。本专利技术的有益效果为：本专利技术将高输入阻抗放大电路与SNSPD器件互联一同放于低温环境中，因此低温下能够将检测信号先放大一级将其与环境噪声分离开来，因此会有效地避免环境噪声；由于输入阻抗为高阻，近距离放置可避免和同轴线之间的阻抗失配，从而压制SNSPD与放大器之间的传输线效应。也可以提高器件的脉冲幅度，获得更好的信噪比。尤其是针对串联SNSPD器件，可以实现光子数分辨。附图说明图1为本专利技术电路与器件连接方法示意图。图2为本专利技术的电路与器件连接实物图。图3为本专利技术的电路原理示意图。图4为本专利技术电路放大级基本单元电路结构示意图。图5为本专利技术电路低温下输入阻抗示意图。图6为本专利技术电路低温下增益范围示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本专利技术，应理解这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围，在阅读了本专利技术之后，本领域技术人员对本专利技术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。超导纳米线单光子探测器的低温读出方法框图如图1所示，其中高输入阻抗放大电路通过SMA接头连接同轴线到常温环境中，SNSPD采用邦定线方式与高输入阻抗放大电路和偏置板相连。实物图如图2所示，区域1为高输入阻抗放大电路，区域2为底座，超导纳米线单光子探测器利用低温胶粘于底座上且底座内可接光纤用于为器件打光，区域3为偏置板，可通过排针和直流线连接到室温环境下Bias-T(T型偏置器)的RF&DC端口。2400源表串联100k电阻以后连接到Bias-T的DC端口，用于为SNSPD提供电流偏置。这种连接方式既可以对低温电路的增益进行实时监控，还可以对SNSPD的I-V曲线进行测量，便于验证电路和器件在低温下的性能。为了防止低温电路加电后，导致热量聚集，温度上升，影响器件的性能，一方面，高输入阻抗放大电路与底座接触部分的铜剥离，如图2中虚线部分，另一方面，SNSPD器件与电路PCB、偏置板邦定时不直接连接，而是利用跳板通过两根跳线连接，以进一步减少传热。图中漆包线一端焊接于PCB版背面的接地端，另一端与制冷机相连，为低温电路提供一条散热通道，利用这种连接方法，可以防止热量堆积而引起的器件超流压缩。如图3所示，本专利技术的低温读出电路主要由放大级与缓冲级组成，放大级主要由三个图4所示的基本单元电路构成，该基本单元电路主要由四个SiGeHBT构成差分对管结构实现放大功能，差分对管的偏置分别由另外两个SiGeHBT与另外的三极管所构成的电流源提供，为便于调节低温下的直流工作点，电流源的参考电流由片外提供，输入信号由第一个基本单元单端输入，放大后的信号则双端输出，以AC耦合的方式输入到第二个基本单元，以此类推，实现逐级放大功能。第二级和基本单元电路类似，但差分对管只由两个SiGeHBT构成，主要实现输出缓冲功能，它和第一级之间仍然采用了AC耦合的双端输入方式，输出则采用了单端方式，便于和测量仪器连接。图4所示为单级增益单元原理图，其中晶体管Q1/2为输入NPN管，接成共射极结构，主要实现放大功能。同时，晶体管Q3/4以二极管形式与电阻R1/2同时作为放大器的负载。Q5和Q6分别为Q1/2和Q3/4的尾电流源，使得电路具有更高的共模抑制能力。图5和图6是本专利技术所用到的电路在低温下的性能表征，图5为输入阻抗测试结果，在低频下输入阻抗大于5KΩ，但是随着频率的增加输入阻抗降低，在100MHz处输入阻抗大于400欧姆，可以满足系统要求。根据如下公式将输入阻抗等效为一个6.7K的电阻与3.4pF电容并联。其中Z为输入阻抗，R为电阻，C为电容，w本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超导纳米线单光子探测器的低温读出方法，其特征在于，包括低温下的高输入阻抗放大电路、器件底座及偏置板，所述高输入阻抗放大电路通过同轴线进入室温环境，低温下的超导纳米线单光子探测器利用邦定线的方式连接偏置板，所述偏置板通过排针和直流线连接到室温环境中的电流源，所述超导纳米线单光子探测器放置于器件底座上，所述超导纳米线单光子探测器的输出端利用邦定线连接到高输入阻抗放大电路的输入端。

【技术特征摘要】
1.一种超导纳米线单光子探测器的低温读出方法，其特征在于，包括低温下的高输入阻抗放大电路、器件底座及偏置板，所述高输入阻抗放大电路通过同轴线进入室温环境，低温下的超导纳米线单光子探测器利用邦定线的方式连接偏置板，所述偏置板通过排针和直流线连接到室温环境中的电流源，所述超导纳米线单光子探测器放置于器件底座上，所述超导纳米线单光子探测器的输出端利用邦定线连接到高输入阻抗放大电路的输入端。2.根据权利要求1所述的一种超导纳米线单光子探测器的低温读出方法，其特征在于，所述超导纳米线单光子探测器、高输入阻抗放大电路和偏置板均放置在制冷机内部。3.根据权利要求1所述的一种超导纳米线单光子探测器的低温读出方法，其特征在于，所述高输入阻抗放大电...

【专利技术属性】
技术研发人员：门良，李响，陶旭，康琳，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32