一种适用于超导纳米线单光子探测器的光谱响应测量方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种适用于超导纳米线单光子探测器的光谱响应测量方法及系统，通过调节入射激光的波长以及偏振状态，对超导纳米线单光子探测器在不同波长与偏振条件下进行系统效率标定，从而获得TE模、TM模下效率与波长的关系，为探测器的结构调整提供依据。为探测器的结构调整提供依据。为探测器的结构调整提供依据。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于超导纳米线单光子探测器的光谱响应测量方法及系统


[0001]本专利技术涉及超导纳米线单光子探测器
，具体为一种适用于超导纳米线单光子探测器的光谱响应测量方法。

技术介绍

[0002]超导纳米线单光子探测器(superconducting nanowire single
‑
photon detector,SNSPD)是一种用于高效、快速、准确地探测单光子的高灵敏光探测器。探测器感光部分使用超导薄膜材料，例如氮化铌、钼硅等制备而成的纳米线蜿蜒结构。探测器工作时被偏置于稍低于其超导临界电流的状态，纳米线处于超导状态，当纳米线吸收光子后，超导库珀对被打散成为准粒子，在纳米线局部区域产生电阻较高的热岛，热岛两侧电流密度增大，在电流焦耳热的协助下，热岛区域增大到一定范围，当其两侧电流密度超过材料的临界电流密度时，吸收区域的超导态被破坏，纳米线上的电流下降，焦耳热效应减弱，经过纳米线自身和衬底的冷却，热岛区域消失，纳米线恢复超导状态。探测器吸收光子的过程在电路上表现为快速上升，随后呈指数衰减的电脉冲。通过将此脉冲信号放大，在外电路上可以探测到明显的脉冲信号，实现单光子探测。
[0003]SNSPD可以实现从可见光波段到红外波段的单光子探测，相同器件设计的探测器对不同波段的激光耦合效率不同，此外，SNSPD因其纳米线的曲折结构而具有极化敏感性，对电场极化方向平行于纳米线的入射光(TE波)的吸收率高于对电场极化方向垂直于纳米线的入射光(TM波)的吸收率。当需要利用这种极化敏感性时(如遥感成像的偏振测定和散射介质中的偏振成像)，则需要増大TE波吸收率和TM波吸收率的比值；当进行光的强度探测时，就要尽可能减弱极化敏感性，因此，为了满足超导纳米线单光子探测器的实际应用需求，测量探测器在不同波段的系统效率以及探测器在TE模式下、TM模式下的系统效率十分重要。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：为提高测量探测器在不同波段的系统效率以及探测器在TE模式下、TM模式下的系统效率，本专利技术提出了一种适用于超导纳米线单光子探测器的光谱响应测量方法及系统。
[0005]技术方案：一种适用于超导纳米线单光子探测器的光谱响应测量方法，用于计算当前探测器系统效率受激光波长的影响；包括以下步骤：
[0006]构建可调节入射激光的波长以及偏振状态的光学回路的步骤；
[0007]搭建用于读出探测器在不同波长与偏振条件下的响应脉冲数量的读出电路的步骤；
[0008]通过调节光学回路，控制当前激光的波长为指定初始波长，并按照设置的步长与时间间隔依次递增耦合到探测器的激光的波长，以及通过调节光学回路，在每个波长下，调
节入射光依次为水平偏振状态、垂直偏振状态、45
°
线偏振状态、圆偏振状态，同时测得对应状态下的响应脉冲数量；
[0009]通过读出电路，获取探测器在不同波长与偏振条件下的响应脉冲数量；
[0010]将响应脉冲数量转换为系统效率，得到探测器在水平偏振光、垂直偏振光、45
°
线偏振光、圆偏振光入射条件下的系统效率；
[0011]基于探测器在水平偏振光、垂直偏振光、45
°
线偏振光、圆偏振光入射条件下的系统效率，获得探测器在TE模、TM模下的系统效率。
[0012]光学回路包括：可调谐激光器、固定衰减器、偏振综合仪、分束器、光功率计、可调衰减器和计数器；可调谐激光器的发射激光，经过固定光衰减器、偏振综合仪后，由分束器分为两束，一束连接至光功率计，另一束经可调衰减器衰减后作为探测器的输入激光。
[0013]读出电路包括T型偏置器和射频放大器；探测器的输出端与T型偏置器的射频和直流端口连接，T型偏置器的直流偏置端口连接一偏置回路，用于给探测器提供恒定的电流偏置，T型偏置器的射频端口连接射频放大器；射频放大器的输出端连接至计数器；
[0014]光谱响应测量的测量步骤，包括：
[0015]控制偏置回路，将探测器置于低于其临界电流的状态；
[0016]根据光功率计与可调衰减器的参数，控制可调谐激光器的光功率，使耦合到探测器的激光为单光子量级，控制当前激光波长为指定初始波长，并按照设置的步长与时间间隔依次递增耦合到探测器的激光的波长；
[0017]控制偏振综合仪，在每个波长下，将输入激光调制为水平偏振光、垂直偏振光、45
°
线偏振光、圆偏振光；
[0018]在每一时间间隔内，从计数器读取来自射频放大器的响应脉冲数量；
[0019]将响应脉冲数量转换为系统效率；
[0020]重复上述步骤至波长为终止波长时停止；
[0021]得到探测器在水平偏振光、垂直偏振光、45
°
线偏振光、圆偏振光入射条件下的系统效率；
[0022]基于探测器在水平偏振光、垂直偏振光、45
°
线偏振光、圆偏振光入射条件下的系统效率，获得探测器在TE模、TM模下的系统效率。
[0023]本专利技术在每个波长下根据指令自动调制偏振状态，一次测量可获得四种条件下的系统效率。
[0024]进一步的，所述偏置回路由偏置电阻和可调电压源串联得到，通过控制可调电压源，将探测器置于低于其临界电流的状态。
[0025]进一步的，依据公式(1)，将响应脉冲数量转换为系统效率：
[0026]SDE＝N
P
/(P
in
/hv)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0027]式中，P
in
为入射光功率，P
in
/hv为光子数，N
P
为响应脉冲数量，SDE为系统效率。
[0028]进一步的，在所述的光谱响应测量的测量步骤中，还包括：获得探测器在TE模、TM模下的系统效率的步骤；具体包括：
[0029]记探测器在水平偏振光、垂直偏振光、45
°
线偏振光和圆偏振光入射条件下的系统效率分别为Q0°
、Q
90
°
、Q
45
°
、Q
c
，探测器在TE模、TM模下的系统效率分别为Q
TE
、Q
TM
，则有：
[0030]Q
TE
+Q
TM
＝Q0°
+Q
90
°
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0031][0032]即可获得探测器在TE模、TM模下的系统效率。
[0033]本专利技术还公开了一种适用于超导纳米线单光子探测器的光谱响应测量系统，用于计算当前探测器系统效率受激光波长的影响；包括：
[0034]光学回路，用于接收来自控制电脑的控制指令，控制耦合到探测器的激光的波长，以及用于接收来自控制电脑的控制指令，将耦合到探测器的输入激光依次调本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于超导纳米线单光子探测器的光谱响应测量方法，用于计算当前探测器系统效率受激光波长的影响；其特征在于：包括以下步骤：构建可调节入射激光的波长以及偏振状态的光学回路的步骤；搭建用于读出探测器在不同波长与偏振条件下的响应脉冲数量的读出电路的步骤；通过调节光学回路，控制当前激光的波长为指定初始波长，并按照设置的步长与时间间隔依次递增耦合到探测器的激光的波长，以及通过调节光学回路，在每个波长下，调节入射光依次为水平偏振状态、垂直偏振状态、45
°
线偏振状态、圆偏振状态，同时测得对应状态下的响应脉冲数量；通过读出电路，获取探测器在不同波长与偏振条件下的响应脉冲数量；将响应脉冲数量转换为系统效率，得到探测器在水平偏振光、垂直偏振光、45
°
线偏振光、圆偏振光入射条件下的系统效率；基于探测器在水平偏振光、垂直偏振光、45
°
线偏振光、圆偏振光入射条件下的系统效率，获得探测器在TE模、TM模下的系统效率。2.根据权利要求1所述的一种适用于超导纳米线单光子探测器的光谱响应测量方法，其特征在于：所述的光学回路由可调谐激光器、固定衰减器、偏振综合仪、分束器、光功率计和可调衰减器，按照以下连接构成：可调谐激光器的发射激光，经过固定光衰减器、偏振综合仪后，由分束器分为两束，一束连接至光功率计，另一束经可调衰减器衰减后作为探测器的输入激光。3.根据权利要求1所述的一种适用于超导纳米线单光子探测器的光谱响应测量方法，其特征在于：所述的读出电路包括T型偏置器和射频放大器；探测器的输出端与T型偏置器的射频和直流端口连接，T型偏置器的直流偏置端口连接一偏置回路，用于给探测器提供恒定的电流偏置，T型偏置器的射频端口连接射频放大器；射频放大器的输出端连接至计数器，所述计数器用于读出探测器在不同波长与偏振条件下的响应脉冲数量。4.根据权利要求2所述的一种适用于超导纳米线单光子探测器的光谱响应测量方法，其特征在于：所述的通过调节光学回路，控制当前激光的波长为指定初始波长，并按照设置的步长与时间间隔依次递增耦合到探测器的激光的波长，以及通过调节光学回路，在每个波长下，调节入射光依次为水平偏振状态、垂直偏振状态、45
°
线偏振状态、圆偏振状态，同时测得对应状态下的响应脉冲数量；具体包括：根据光功率计与可调衰减器的参数，控制可调谐激光器的光功率，使耦合到探测器的激光为单光子量级，控制当前激光波长为指定初始波长，并按照设置的步长与时间间隔依次递增耦合到探测器的激光的波长；控制偏振综合仪，在每个波长下，将输入激光调制为水平偏振光、垂直偏振光、45
°
线偏振光、圆偏振光。5.根据权利要求3所述的一种适用于超导纳米线单光子探测器的光谱响应测量方法，其特征在于：所述偏置回路由偏置电阻和可调电压源串联得到，通过控制可调电压源，将探测器置于低于其临界电流的状态。6.根据权利要求1所述的一种适用于超导纳米线单光子探测器的光谱响应测量方法，其特征在于：依据公式(1)，将响应脉冲数量转换为系统效率：SDE＝N
P
/(P
in
/hv)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
式中，P
in
为入射光功率，P
in
/hv为光子数，N
P
为响应脉冲数量，SDE为系统效率。7.根据权利要求1所述的一种适用于超导纳米线单光子探测器的光谱响应测量方法，其特征在于：所述的基于探测器在水平偏振光、垂直偏振光、45
°
线偏振光、圆偏振光入射条件下的系统效率，获得探测器在TE模、TM模下的系统效率；具体包括：记探测器在水平偏振光、垂直偏振光、45
°
线偏振光和圆偏振光入射条件下的系统效率分别为Q0°
、Q
90
°
、Q
45
°
、Q
c
，探测器在TE模、TM模下的系统效率分别为Q
TE
、Q
TM
，则有：...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱广浩，靳飞飞，费越，王锡明，李慧，胡潇文，张蜡宝，康琳，吴培亨，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：