一种大光敏面高计数率超导纳米线单光子探测器及实施方法技术

本发明专利技术公开了一种大光敏面高计数率超导纳米线单光子探测器及实施方法，包括低动态电感超导纳米线和放电加速偏置读出电路。低动态电感超导纳米线采用中心对称分布和并联纳米线结构；放电加速偏置读出电路是一个三端电路，包括DC端、DC&RF端以及读出端。本发明专利技术公开的低动态电感超导纳米线设计方法，可以在显著扩大探测器光敏面的情况下，保持低的动态电感，从而保证探测器高的计数率，同时放电加速偏置读出电路能有效缓解探测器在高计数率条件下的闩锁情况，因此，本发明专利技术公开的一种大光敏面高计数率超导纳米线单光子探测器对要求大光敏面、高计数率的激光雷达应用具有重要意义。义。义。

【技术实现步骤摘要】
一种大光敏面高计数率超导纳米线单光子探测器及实施方法


[0001]本专利技术涉及激光雷达、超导单光子探测
，具体为一种大光敏面高计数率超导纳米线单光子探测器及实施方法。

技术介绍

[0002]超导纳米线单光子探测器作为性能最优异的光子探测器之一发展至今，其各项性能指标都取得了巨大的突破，具有较宽的响应光谱(响应波段可从中红外覆盖到X射线)、极高的系统探测效率(超过98％)、极低的暗计数(小于10
‑5cps)、极低的时间抖动(低于3ps)，同时最大计数率超过Gcps。近年来，随着深空激光通信以及远距离激光测距等应用的进一步发展，其都对超导纳米线单光子探测器的高速性能提出了更加苛刻的要求，其原因在于：超导纳米线单光子探测器的高速性能直接限制了激光通信的最大通信速率，同时也能直接决定激光探测的动态范围。
[0003]最大计数率是单光子探测器最重要的性能指标之一，通常定义为探测效率下降3dB时的计数率。超导纳米线的动态电感限制了超导纳米线单光子探测器的恢复时间，从而限制了最大计数率。同时，为了匹配大孔径的接收机，光子探测器需要具有大的探测面积。然而，随着面积的增加，电恢复时间将显著增加。目前，有一些工作通过多个独立的纳米线将最大计数率增加到超过Gcps，但它们消耗了更多的电路资源，并限制了可扩展性。还有工作引入了微米线来扩大超导单光子探测器的探测面积，但在高计数率方面仍然没有突破。还有工作通过将多条纳米线串联，同时分别各自并联电阻，在不增加读取复杂性的情况下有效地提高了最大计数率，然而电感的显著增加无法扩展到大面积，同时也会进一步限制最大计数率和时间精度。因此，同时具备大面积和高最大计数率的超导纳米线单光子探测器仍然是一个重要的课题，目前正在不断研究中。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：为解决目前超导纳米线单光子探测器无法同时满足大光敏面和高计数率的要求，本专利技术提出了一种大光敏面高计数率超导纳米线单光子探测器及实施方法。
[0005]技术方案：一种大光敏面高计数率超导纳米线单光子探测器，包括：
[0006]低动态电感超导纳米线，用于检测光子；
[0007]放电加速偏置读出电路，用于读出低动态电感超导纳米线检测到的光子数；
[0008]其中，所述低动态电感超导纳米线由若干通道呈中心对称分布构成，每个所述通道均由多条纳米线并联组成；
[0009]其中，所述放电加速偏置读出电路包括：电感L
B
、串联电阻R0、电感L0、交流耦合电容C
B
和低噪声放大器；
[0010]所述电感L
B
的两端分别作为DC端和DC&RF端，所述串联电阻R0的一端与DC&RF端连接，该串联电阻R0的另一端与交流耦合电容C
B
串联，二者之间连接电感L0到地，交流耦合电容C
B
的另一端与低噪声放大器相连，从所述低噪声放大器的输出端读出低动态电感超导纳
米线检测到的光子数；
[0011]所述DC&RF端与低动态电感超导纳米线连接，用于为低动态电感超导纳米线提供偏置电流，以及获取低动态电感超导纳米线检测到的光子数；
[0012]所述DC端用于向放电加速偏置读出电路输入电流。
[0013]进一步的，每条所述纳米线均串联一片上电阻R到地。
[0014]进一步的，对于同一通道中的多条纳米线，其以同心圆的形式进行排布，每条纳米线均为同心圆环结构。
[0015]进一步的，每条纳米线接收到的光子数相同。
[0016]进一步的，每条纳米线的面积相同。
[0017]进一步的，每条纳米线的长度相同。
[0018]进一步的，每个片上电阻R均为哑铃状结构，且所有的片上电阻R连成一个整体。
[0019]进一步的，所述电感L
B
的取值在560μH～1.2mH之间，所述串联电阻R0的取值在0～50Ω之间，所述电感L0的取值大于或等于纳米线的动态电感值，交流耦合电容C
B
的取值在80nF～240nF之间。
[0020]本专利技术还公开了一种大光敏面高计数率超导纳米线单光子探测器的实施方法，包括：
[0021]制作低动态电感超导纳米线；
[0022]搭建放电加速偏置读出电路；
[0023]将低动态电感超导纳米线接入放电加速偏置读出电路，由放电加速偏置读出电路读出低动态电感超导纳米线检测到的光子数；
[0024]其中，低动态电感超导纳米线按照以下步骤制作得到：
[0025]步骤1：在氮化硅层上沉积氮化铌薄膜；
[0026]步骤2：通过电子束曝光获得纳米线图形，显影之后经过反应离子刻蚀得到纳米线；
[0027]步骤3：通过电子束曝光获得片上电阻图形；
[0028]步骤4：利用磁控溅射生长一层Ti薄膜；
[0029]步骤5：剥离得到片上电阻；
[0030]其中，所述纳米线图形由若干通道呈中心对称分布构成，每个所述通道均由多条纳米线并联组成；对于同一通道中的多条纳米线，其以同心圆的形式进行排布，每条纳米线均为同心圆环结构；
[0031]所述电阻图形为在每条所述纳米线均串联一片上电阻到地；
[0032]其中，放电加速偏置读出电路包括：电感L
B
、串联电阻R0、电感L0、交流耦合电容C
B
和低噪声放大器；所述电感L
B
的两端分别作为DC端和DC&RF端，所述串联电阻R0的一端与DC&RF端连接，该串联电阻R0的另一端与交流耦合电容C
B
串联，二者之间连接电感L0到地，交流耦合电容C
B
的另一端与低噪声放大器相连，从所述低噪声放大器的输出端读出低动态电感超导纳米线检测到的光子数；所述DC&RF端与低动态电感超导纳米线连接，用于为低动态电感超导纳米线提供偏置电流，以及获取低动态电感超导纳米线检测到的光子数；所述DC端用于向放电加速偏置读出电路输入电流。
[0033]进一步的，每个片上电阻均为哑铃状结构，且所有的片上电阻连成一个整体。
[0034]有益效果：本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：
[0035](1)本专利技术提出的一种大光敏面高计数率超导纳米线单光子探测器，能在显著扩大光敏面的情况下，同时保证高的计数率；
[0036](2)本专利技术提出的一种大光敏面高计数率超导纳米线单光子探测器，利用低动态电感超导纳米线设计方法，可以在不显著增加读出复杂度的情况下，进一步扩展到更大光敏面上；
[0037](3)本专利技术提出的放电加速偏置读出电路也可以应用于其他超导纳米线单光子探测器的偏置读出；
[0038](4)本专利技术提出的一种大光敏面高计数率超导纳米线单光子探测器具有结构简单、容易制备、易操作、不需要专门的进行人员培训、成本低、工作效率高本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大光敏面高计数率超导纳米线单光子探测器，其特征在于：包括：低动态电感超导纳米线，用于检测光子；放电加速偏置读出电路，用于读出低动态电感超导纳米线检测到的光子数；其中，所述低动态电感超导纳米线由若干通道呈中心对称分布构成，每个所述通道均由多条纳米线并联组成；其中，所述放电加速偏置读出电路包括：电感L
B
、串联电阻R0、电感L0、交流耦合电容C
B
和低噪声放大器；所述电感L
B
的两端分别作为DC端和DC&RF端，所述串联电阻R0的一端与DC&RF端连接，该串联电阻R0的另一端与交流耦合电容C
B
串联，二者之间连接电感L0到地，交流耦合电容C
B
的另一端与低噪声放大器相连，从所述低噪声放大器的输出端读出低动态电感超导纳米线检测到的光子数；所述DC&RF端与低动态电感超导纳米线连接，用于为低动态电感超导纳米线提供偏置电流，以及获取低动态电感超导纳米线检测到的光子数；所述DC端用于向放电加速偏置读出电路输入电流。2.根据权利要求1所述的一种大光敏面高计数率超导纳米线单光子探测器，其特征在于：每条所述纳米线均串联一片上电阻R到地。3.根据权利要求1所述的一种大光敏面高计数率超导纳米线单光子探测器，其特征在于：对于同一通道中的多条纳米线，其以同心圆的形式进行排布，每条纳米线均为同心圆环结构。4.根据权利要求1或3所述的一种大光敏面高计数率超导纳米线单光子探测器，其特征在于：每条纳米线接收到的光子数相同。5.根据权利要求1或3所述的一种大光敏面高计数率超导纳米线单光子探测器，其特征在于：每条纳米线的面积相同。6.根据权利要求1或3所述的一种大光敏面高计数率超导纳米线单光子探测器，其特征在于：每条纳米线的长度相同。7.根据权利要求2所述的一种大光敏面高计数率超导纳米线单光子探测器，其特征在于：每个片上电阻R均为哑铃状结构，且所有的片上电阻R连成一个整体。8.根据权利要求1所述的一种大光敏面高计数率超导纳米线单光子探测器，其特征在于：所述电感L
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【专利技术属性】
技术研发人员：张蜡宝，谭静柔，李昊辰，季天皓，李慧，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：