脉宽复用SNSPD阵列电路、芯片及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种脉宽复用SNSPD阵列电路、芯片及其制备方法和应用，脉宽复用SNSPD阵列包括若干依次串联的探测器单元，输入端经依次串联的探测器单元后连接至输出端，所述探测器单元包括纳米线探测器、电感和并联电阻，所述纳米线探测器和所述电感串联后与所述并联电阻并联，所述电感按照串联顺序依次增大，且使得任意同等数量的纳米线探测器同时响应时，所述输出端输出的响应信号脉冲宽度都不相同。本发明专利技术易于扩展且能够应对多像元同时响应。本发明专利技术易于扩展且能够应对多像元同时响应。本发明专利技术易于扩展且能够应对多像元同时响应。

【技术实现步骤摘要】
脉宽复用SNSPD阵列电路、芯片及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及光子探测领域，尤其涉及一种脉宽复用SNSPD阵列电路、芯片及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]超导纳米线单光子探测器(SNSPD)是一种性能优异的单光子探测器，已被应用到量子信息、远程激光雷达、月地激光通信、生物活体成像等领域。然而，现有的SNSPD大多为单像元结构，且光敏面积较小，对自由空间光子的耦合效率低，且无法分辨空间位置，难以满足许多大型的实际应用的需求。因此，大光敏面阵列器件研制是SNSPD领域的重要发展方向之一，但相应的信号读出面临巨大挑战。
[0003]常规读出采用同轴电缆将器件与室温读出电路互联，随着阵列数量的增加，同轴线引入的热负载越来越大。超导编码电路的引入可以大大降低所需的同轴线数目，但是此类器件的制备工艺较为复杂，尚未实现大规模扩展。因此，研究人员开始采用复用读出的方案来充分利用响应信号各个维度的信息。行列复用是一种实用性较强的读出方案并且已被用于千像素SNSPD阵列，双层热耦合的读出方式可以避免行列复用时电流重分配的影响。基于时分复用的超导纳米延迟线实现了约590个有效像素的单光子成像。上述几种方法的结合可以进一步提高阵列的扩展性并且抑制串扰，但是普遍存在无法应对多像元同时响应的问题。
[0004]基于时序逻辑的超导纳米延长线探测器可以应对四光子同时入射的情况，但是其大规模扩展后的波形分析可能存在困难。脉冲幅度复用仅需单根同轴线即可分辨光子到达的位置和时间，但是等比关系的阻值要求限制了其扩展能力。频分复用读出和光读出都可以实现多像元响应的同时读出，但是它们对片上工艺或者外部设备的要求较高，目前读出效果不理想并且扩展性不强。目前的各种读出方案都存在各自的局限性，因此开发出一种易于扩展且能够应对多像元同时响应的读出方式是阵列SNSPD研究的重点。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：本专利技术针对现有技术存在的问题，提供一种易于扩展且能够应对多像元同时响应的脉宽复用SNSPD阵列电路、芯片及其制备方法和应用。
[0006]技术方案：本专利技术提供了一种脉宽复用SNSPD阵列电路，包括输入端、输出端和若干依次串联的探测器单元，所述输入端经依次串联的探测器单元后连接至所述输出端，所述探测器单元包括纳米线探测器、电感和并联电阻，所述纳米线探测器和所述电感串联后与所述并联电阻并联，所述电感按照串联顺序依次增大，且使得任意同等数量的纳米线探测器同时响应时，所述输出端输出的响应信号脉冲宽度都不相同。
[0007]本专利技术还提供了一种脉宽复用SNSPD阵列芯片，包括基片以及位于基片上输入端电极、输出端电极、纳米线探测器区域、延迟线区域，所述纳米线探测区域块包括若干规则排布的由蜿蜒纳米线形成的纳米线探测器，所述延迟线区域包括与蜿蜒纳米线同等数量的
蜿蜒延迟线，每一纳米线探测器与一延迟线连接后再与一并联电阻并联，形成一探测器单元，若干探测器单元依次串联，所述输入端电极经依次串联的探测器单元后连接至所述输出端电极，所述延迟线的电感值按照串联顺序依次增大，且使得任意同等数量的纳米线探测器同时响应时，所述输出端电极输出的响应信号脉冲宽度都不相同。
[0008]进一步的，所述蜿蜒纳米线和所述延迟线由同一超导薄膜刻蚀形成。所述延迟线的宽度大于所述蜿蜒纳米线的宽度。所述延迟线的长度满足：
[0009]d
l
＝d
w
*L/L
sq
[0010]d
l
为延迟线的长度，L为延迟线的电感值，L
sq
为所用材料的单位面积电感，d
w
为延迟线的宽度。
[0011]进一步的，所述并联电阻为钛电阻，通过从延迟线区域伸出的延迟线钳形接触点与所述纳米线探测器并联。
[0012]本专利技术还提供了一种脉宽复用SNSPD阵列芯片的制备方法，包括如下步骤：
[0013](1)采用磁控溅射将超导薄膜沉积在基片上；
[0014](2)采用光刻和磁控溅射，制备输入端电极和输出端电极；
[0015](3)采用电子束曝光和反应离子刻蚀超导薄膜，形成纳米线探测器区域、延迟线区域和钳形接触点；
[0016]其中，所述纳米线探测区域块包括若干规则排布的由蜿蜒纳米线形成的纳米线探测器，所述延迟线区域包括与蜿蜒纳米线同等数量的蜿蜒延迟线，且每一纳米线探测器与一延迟线连接后，延迟线还伸出并联的钳形接触点，一纳米线探测器、一延迟线和一并联电阻形成一探测器单元，若干探测器单元依次串联，所述输入端电极经依次串联的探测器单元后连接至所述输出端电极，每一所述延迟线的长度满足：
[0017]d
l
＝d
w
*L/L
sq
[0018]d
l
为延迟线的长度，L
sq
为超导薄膜的单位面积电感，d
w
为延迟线的宽度，L为延迟线的电感值，该电感值按照串联顺序依次增大，且使得任意同等数量的纳米线探测器同时响应时，所述输出端电极输出的响应信号脉冲宽度都不相同；
[0019](4)采用电子束曝光和磁控溅射，将并联电阻沉积到接触点上；
[0020](5)将基片进行封装并降温，形成脉宽复用SNSPD阵列芯片。
[0021]其中，所述延迟线的电感值通过仿真得到。所述延迟线的宽度大于所述蜿蜒纳米线的宽度。
[0022]本专利技术还提供了一种基于脉宽复用SNSPD阵列芯片的数据读出方法，包括如下步骤：
[0023](1)采用单根同轴线向所述脉宽复用SNSPD阵列芯片的输入端电极输入偏置电流，所述偏置电流由恒压源和与恒压源串联的限流电阻提供；
[0024](2)采用模数转换器从输出端电极中读出响应信号；
[0025](3)获取响应信号的幅值，若波形幅值为单个纳米线探测器响应时的幅值的n倍，则判定当前响应的纳米线探测器为n个；
[0026](4)获取响应信号在预设阈值时的脉冲宽度值，根据脉冲宽度值从预存表中查找到当前响应的纳米线探测器组合，所述预设阈值按照纳米线探测器响应的个数设置的值不同，所述预存表存储有不同数量的纳米线探测器组合响应时，响应信号在预设阈值时的脉
冲宽度值，该脉冲宽度值通过仿真或实验得到。
[0027]有益效果：本专利技术与现有技术相比，其显著优点是：
[0028]1、与现有SNSPD阵列相比，本专利技术大大降低了系统的复杂度，仅需单根同轴线即可实现电流偏置和信号读出，电路简单；
[0029]2、可以处理多个探测器同时响应的情况，且可以以很高的保真度进行读出，这是行列复用读出等方式无法实现的；
[0030]3、电感的增加不会导致器件闩锁，所以扩展性较强。
附图说明
[0031]图1为本专利技术提供的脉宽复用SNSPD阵列电路的示意图；
[0032]图2为本专利技术提供的脉宽复用SNSPD阵列芯片的光学显微镜图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种脉宽复用SNSPD阵列电路，其特征在于：包括输入端、输出端和若干依次串联的探测器单元，所述输入端经依次串联的探测器单元后连接至所述输出端，所述探测器单元包括纳米线探测器、电感和并联电阻，所述纳米线探测器和所述电感串联后与所述并联电阻并联，所述电感按照串联顺序依次增大，且使得任意同等数量的纳米线探测器同时响应时，所述输出端输出的响应信号脉冲宽度都不相同。2.一种脉宽复用SNSPD阵列芯片，其特征在于：包括基片以及位于基片上输入端电极、输出端电极、纳米线探测器区域、延迟线区域，所述纳米线探测区域块包括若干规则排布的由蜿蜒纳米线形成的纳米线探测器，所述延迟线区域包括与蜿蜒纳米线同等数量的蜿蜒延迟线，每一纳米线探测器与一延迟线连接后再与一并联电阻并联，形成一探测器单元，若干探测器单元依次串联，所述输入端电极经依次串联的探测器单元后连接至所述输出端电极，所述延迟线的电感值按照串联顺序依次增大，且使得任意同等数量的纳米线探测器同时响应时，所述输出端电极输出的响应信号脉冲宽度都不相同。3.根据权利要求2所述的脉宽复用SNSPD阵列芯片，其特征在于：所述蜿蜒纳米线和所述延迟线由同一超导薄膜刻蚀形成。4.根据权利要求2所述的脉宽复用SNSPD阵列芯片，其特征在于：所述延迟线的宽度大于所述蜿蜒纳米线的宽度。5.根据权利要求2所述的脉宽复用SNSPD阵列芯片，其特征在于：所述延迟线的长度满足：d
l
＝d
w
*L/L
sq
d
l
为延迟线的长度，L为延迟线的电感值，L
sq
为所用材料的单位面积电感，d
w
为延迟线的宽度。6.根据权利要求2所述的脉宽复用SNSPD阵列芯片，其特征在于：所述并联电阻为钛电阻，通过从延迟线区域伸出的延迟线钳形接触点与所述纳米线探测器并联。7.一种脉宽复用SNSPD阵列芯片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)采用磁控溅射将超导薄膜沉积在基片上；(2)采用光刻和磁控溅射，制备输入端电极和输出端电极；(3)采用电子束曝光和反应离子刻蚀超导薄膜，形成纳米线探...

【专利技术属性】
技术研发人员：张蜡宝，管焰秋，李昊辰，杨焯林，王志豪，戴懿，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：