基于ERSFQ电路的低温超导读出电路及读出系统

摘要

本发明提供一种基于ERSFQ电路的低温超导读出电路及读出系统，所述低温超导读出电路包括：m个超导量子干涉器，与低温超导传感器阵列连接，用于将低温超导传感器阵列的多路输出信号转换为多路SFQ脉冲信号；ERSFQ电路，与m个超导量子干涉器连接，用于将多路SFQ脉冲信号转换成二进制单路脉冲信号输出；驱动放大电路，与ERSFQ电路连接，用于对二进制单路脉冲信号进行放大输出；其中，m为大于1的整数；通过本发明的基于ERSFQ电路的低温超导读出电路及读出系统，解决了现有技术中读出放大电路热负载大而且电路系统抗噪声干扰能力较弱的问题。

说明书

技术领域

本发明属于超导电路设计技术领域，特别是涉及一种基于ERSFQ电路的低温超导读出电路及读出系统。

背景技术

低温超导传感器凭借其高探测效率、高能量分辨率等优越的性能在量子信息、量子光学、天文探测等领域显示极高的应用价值。而随着低温超导传感器研究的发展，探测器的研究应用也越来越广泛。

由于低温超导传感器的输出信号较为微弱，需要在其工作的低温环境下进行放大处理之后方能通过室温下工作的传统半导体读出电路进行读出。目前常用的低温读出放大电路是首先利用SQUID将传感器的电流信号变为电压信号，然后再经过SQUID阵列实现低温下的一级放大后再经过室温的放大最终读出；其中，由于低温超导传感器以及低温读出放大电路的工作需要一定的偏置电流，因此，该偏置电流是通过室温到低温传输线提供的。

随着对探测器性能的要求不断提高，低温超导传感器阵列中的低温超导传感器数目要求也不断提高。但是，随着低温超导传感器数量的增加，低温超导传感器和低温读出放大电路的偏置电流随之增加，传输线的数目也随之增加，从而加大了低温环境的热负载，受制于低温制冷机的制冷极限，如何减少低温超导传感器阵列读出放大电路的热负载成为提高低温超导传感器阵列规模的关键问题。同时，目前的读出放大电路都是对模拟信号进行直接放大，而此类读出放大电路的抗噪声干扰能力较弱。因此，随着低温超导传感器阵列规模的提高，如何在低温环境下保持低温超导传感器阵列读出放大电路的低热负载、高抗噪声干扰性能将是决定探测器系统性能的关键因素。

鉴于此，有必要提供一种新的基于ERSFQ电路的低温超导读出电路及读出系统用以解决此问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于ERSFQ电路的低温超导读出电路及读出系统，用于解决现有技术中读出放大电路热负载大而且电路系统抗噪声干扰能力较弱的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于ERSFQ电路的低温超导读出电路，所述低温超导读出电路包括：

m个超导量子干涉器，与低温超导传感器阵列连接，用于将低温超导传感器阵列的多路输出信号转换为多路SFQ脉冲信号；

ERSFQ电路，与所述m个超导量子干涉器连接，用于将多路SFQ脉冲信号转换成二进制单路脉冲信号输出；

驱动放大电路，与所述ERSFQ电路连接，用于对所述二进制单路脉冲信号进行放大输出；

其中，m为大于1的整数。

优选地，所述ERSFQ电路包括：

m条第一传输线，与m个所述超导量子干涉器连接，用于传输多路SFQ脉冲信号；

多路器，与所述m条第一传输线连接，用于将多路SFQ脉冲信号转换为单路SFQ脉冲信号输出；

计数器，与所述多路器连接，用于将单路SFQ脉冲信号转换成n-bit二进制数输出；

并联-串联转换器，与所述计数器连接，用于将n-bit二进制数转换成二进制单路脉冲信号输出；

其中，m、n为大于1的整数。

优选地，所述多路器包括m级NDRO逻辑门及(m-1)级第一CB逻辑门，所述NDRO逻辑门包括第一、第二、第三输入端，及第一、第二输出端，所述第一CB逻辑门包括第四、第五输入端，及第三输出端；其中，第一级NDRO逻辑门的第一输入端接选择信号脉冲，其它(m-1)级NDRO逻辑门的第一输入端均与上一级NDRO逻辑门的第二输出端连接，任一级NDRO逻辑门的第二输入端接帧信号，任一级NDRO逻辑门的第三输入端与相对应的第一传输线连接，第一级NDRO逻辑门的第一输出端与第一级第一CB逻辑门的第五输入端连接，其它(m-1)级第一NDRO逻辑门的第一输出端分别与(m-1)级第一CB逻辑门的第四输入端连接，(m-2)级第一CB逻辑门的第五输入端与上一级第一CB逻辑门的第三输出端连接，第(m-1)级第一CB逻辑门的第三输出端与计数器连接。

优选地，所述任一级NDRO逻辑门之间是通过约瑟夫森结传输线连接的。

优选地，所述计数器为二进制的纹波计数器。

优选地，所述二进制的纹波计数器包括n级TD逻辑门；所述TD逻辑门包括第六、第七输入端、及第四、第五输出端，其中，所述任一级TD逻辑门的第六输入端均接帧信号，所述第一级TD逻辑门的第七输入端与多路器连接，其它(n-1)级TD逻辑门的第七输入端均与上一级TD逻辑门的第五输出端连接，所述任一级TD逻辑门的第四输出端与并联-串联转换器连接。

优选地，所述并联-串联转换器包括(n-1)级第二CB逻辑门及n级RS逻辑门，所述第二CB逻辑门包括第八、第九输入端及第六输出端，所述RS逻辑门包括第十、第十一输入端及第七输出端；其中，任一级第二CB逻辑门的第八输入端与计数器连接，第九输入端分别与下一级RS逻辑门的第七输出端连接，第六输出端分别与同级RS逻辑门的第十一输入端连接，所述任一级RS逻辑门的第十输入端均与串联信号连接，第n级RS逻辑门的第十一输入端与计数器连接，第一级RS逻辑门的第七输出端与驱动放大电路连接。

优选地，所述第一传输线包括超导传输线或约瑟夫森结传输线的一种或两种。

优选地，所述驱动放大电路为超导量子干涉器阵列。

优选地，所述ERSFQ电路是通过电感和约瑟夫森结的串联结构提供稳态电流。

本发明还提供一种读出系统，所述读出系统包括：

如上述任一项所述的基于ERSFQ电路的低温超导读出电路，用于将低温超导传感器阵列的输出信号转换为二进制单路脉冲信号，并对其进行放大；

第二传输线，与所述基于ERSFQ电路的低温超导读出电路连接，用于传输所述基于ERSFQ电路的低温超导读出电路的输出信号；

室温读出电路，与第二传输线连接，用于读出所述基于ERSFQ电路的低温超导读出电路的输出信号。

优选地，所述第二传输线包括超导传输线或约瑟夫森结传输线的一种或两种。

如上所述，本发明的基于ERSFQ电路的低温超导读出电路及读出系统，具有以下有益效果：

1.本发明所述低温超导读出电路通过将模拟信号进行数字化转换，同时在数字信号中保存单路传感器的信号强度、时间及对应传感器在阵列中的位置等信息，从而大幅提高所述低温超导读出电路的抗噪声干扰能力。

2.本发明所述读出系统通过将低温超导传感器阵列的多路输出信号转变为单路信号，从而大幅降低室温与低温环境之间的传输线数量，降低低温制冷机的热负载；同时，本发明所述读出系统是基于新型高能率快速单磁通量子(energy-efficient rapid single flux quantum,ERSFQ)，具有极低的功耗，可以进一步降低低温制冷机的热负载。

附图说明

图1显示为本发明所述低温超导读出电路的结构示意图。

图2显示为所述多路器的电路结构示意图。

图3显示为所述计数器和并联-串联转换器的电路结构示意图。

图4显示为低温超导传感器阵列的一路输出信号经过超导量子干涉器前后的信号示意图。

图5显示为所述多路器的输入-输出信号示意图。

图6显示为所述计数器和并联-串联转换器对应的输入-输出信号。

图7显示为本发明所述读出系统的结构示意图。

元件标号说明

aERSFQ电路

1第一输入端

2第二输入端

3第三输入端

4第四输入端

5第五输入端

6第六输入端

7第七输入端

8第八输入端

9第九输入端

10 第十输入端

11 第十一输入端

1’ 第一输出端

2’ 第二输出端

3’ 第三输出端

4’ 第四输出端

5’ 第五输出端

6’ 第六输出端

7’ 第七输出端

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图7。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例一

如图1所示，本实施例提供一种基于ERSFQ电路的低温超导读出电路，所述低温超导读出电路包括：

m个超导量子干涉器(SQUID)，与低温超导传感器阵列连接，用于将低温超导传感器阵列的多路输出信号转换为多路SFQ脉冲信号；

ERSFQ电路，与所述m个超导量子干涉器连接，用于将多路SFQ脉冲信号转换成二进制单路脉冲信号输出；

驱动放大电路，与所述ERSFQ电路连接，用于对所述二进制单路脉冲信号进行放大输出；

其中，m为大于1的整数。

优选地，在本实施例中，所述低温超导传感器阵列包括转变边沿传感器(TES)阵列或超导纳米线单光子探测器(SNSPD)阵列；当然，在其它实施例中，所述低温超导传感器阵列还可以为其它任意一种低温超导传感器阵列。

具体的，所述ERSFQ电路包括：

m条第一传输线，与m个所述超导量子干涉器连接，用于传输多路SFQ脉冲信号；

多路器，与所述m条第一传输线连接，用于将多路SFQ脉冲信号转换为单路SFQ脉冲信号输出；

计数器，与所述多路器连接，用于将单路SFQ脉冲信号转换成n-bit二进制数输出；

并联-串联转换器，与所述计数器连接，用于将n-bit二进制数转换成二进制单路脉冲信号输出；

其中，m、n为大于1的整数。

具体的，所述ERSFQ电路是通过电感和约瑟夫森结的串联结构提供稳态电流。

具体的，所述第一传输线包括超导传输线(TL)或约瑟夫森结传输线(JTL)的一种或两种。

具体的，如图2所示，所述多路器(MUX)包括m级NDRO(非破坏读出)逻辑门及(m-1)级第一CB(汇流缓冲)逻辑门，所述NDRO逻辑门包括第一、第二、第三输入端，及第一、第二输出端，所述第一CB逻辑门包括第四、第五输入端，及第三输出端；其中，第一级NDRO逻辑门的第一输入端1接选择信号脉冲，其它(m-1)级NDRO逻辑门的第一输入端1均与上一级NDRO逻辑门的第二输出端2’连接，任一级NDRO逻辑门的第二输入端2接帧信号，任一级NDRO逻辑门的第三输入端3与相对应的第一传输线连接，第一级NDRO逻辑门的第一输出端1’与第一级第一CB逻辑门的第五输入端5连接，其它(m-1)级第一NDRO逻辑门的第一输出端1’分别与(m-1)级第一CB逻辑门的第四输入端4连接，(m-2)级第一CB逻辑门的第五输入端5与上一级第一CB逻辑门的第三输出端3’连接，第(m-1)级第一CB逻辑门的第三输出端3’与计数器连接；其中，所述任一级NDRO逻辑门之间是通过约瑟夫森结传输线连接的。

具体的，所述计数器为二进制的纹波计数器。

优选地，如图3所示，所述二进制的纹波计数器包括n级TD(计数触发破坏性)逻辑门；所述TD逻辑门包括第六、第七输入端、及第四、第五输出端，其中，所述任一级TD逻辑门的第六输入端6均接帧信号，所述第一级TD逻辑门的第七输入端7与多路器连接，其它(n-1)级TD逻辑门的第七输入端7均与上一级TD逻辑门的第五输出端5’连接，所述任一级TD逻辑门的第四输出端4’与并联-串联转换器连接。

具体的，如图3所示，所述并联-串联转换器(PSC)包括(n-1)级第二CB逻辑门及n级RS(置位-复位触发器)逻辑门，所述第二CB逻辑门包括第八、第九输入端及第六输出端，所述RS逻辑门包括第十、第十一输入端及第七输出端；其中，任一级第二CB逻辑门的第八输入端8与计数器连接，第九输入端9分别与下一级RS逻辑门的第七输出端7’连接，第六输出端6’分别与同级RS逻辑门的第十一输入端11连接，所述任一级RS逻辑门的第十输入端10均与串联信号连接，第n级RS逻辑门的第十一输入端11与计数器连接，第一级RS逻辑门的第七输出端7’与驱动放大电路连接。

需要说明的是，所述选择信号、帧信号、和串联信号均为周期性的时钟信号。

具体的，所述驱动放大电路为超导量子干涉器阵列。

下面请参考图1至图3对本发明所述低温超导读出电路的工作过程进行详细说明。

首先，根据低温超导传感器阵列输出的电流信号以及本实施例所述低温超导读出电路的取样频率(f_sample)选择超导量子干涉器(SQUID)的参数：约瑟夫森结的临界电流(IC)和电感，从而确定合适的电流(I)-脉冲频率(f)转变曲线，实现将低温超导传感器阵列输出的电流信号转变为SFQ脉冲信号的转换。

需要说明的是，经过所述SQUID前后的信号如图4所示，低温超导传感器阵列输出的电流信号与SFQ脉冲信号的频率成正比关系。

其次，m个SQUID输出的多路SFQ脉冲信号分别通过相对应的第一传输线传输后作为m-bit MUX的输入信号，其中，MUX可以看作一个多路的开关电路。频率为f_frame的帧信号依次关闭多路器每一个输入端口的开关，在一个帧频率内，对应输入端口的SFQ脉冲信号就通过CB逻辑门作为输出信号输出。具体为：当一个频率为f_select的选择信号脉冲输入MUX后，第一级NDRO逻辑门形成的开关被关闭，在下一个帧信号到达MUX之前，第一个TES输出信号被MUX作为输出信号输出；当第一个帧信号到达MUX，第一级NDRO逻辑门形成的开关被打开，并产生一个信号作为下一级NDRO逻辑门形成的开关的选择信号，于是第二级NDRO逻辑门形成的开关被闭合，在下一个帧信号到达MUX之前，MUX的输出信号为第二个TES的输出信号；依次类推，直到最后一级NDRO逻辑门形成的开关经过闭合和打开过程后，下一个选择信号脉冲再次输入MUX，MUX重复上述操作。

优选地，在本实施例中，当m＝3，n＝2时，经过所述多路器的输入-输出信号如图5所示。

再次，MUX的输出信号进入n-bit的计数器后将每帧内的SFQ脉冲数目以n-bit二进制数形式读出，再通过n-bit的PSC将n-bit二进制数转换成二进制单路脉冲信号输出(即将n个并联信号转换为一个串联信号输出)。至此，m个低温超导传感器阵列输出的电流信号就转换成了二进制单路脉冲信号，此信号包含了低温超导传感器信号强度、时间及对应传感器在阵列中的位置信息。

优选地，在本实施例中，当m＝3，n＝2时，经过所述计数器和PSC的输入-输出信号如图6所示；当然，在其它实施例中，m和n还可以设置为其它的任意整数。

需要说明的是，在本实施例中，m＝3，n＝2；当然，在其它实施例中，m和n还可以设置为其它任意大于1的整数。

需要说明的是，由于每一个SFQ脉冲信号的幅值仅为mV级别，以100路TES阵列为例，单个TES的电流信号宽度为100us，如果帧频率为10MHz，则在取样频率20GHz下，本发明所述低温超导读出电路可以达到11位的信号读出精度。

实施例二

如图7所示，本实施例还提供了一种读出系统，所述读出系统包括：

如实施例一所述的基于ERSFQ电路的低温超导读出电路，用于将低温超导传感器阵列的输出信号转换为二进制单路脉冲信号，并对其进行放大；

第二传输线，与所述基于ERSFQ电路的低温超导读出电路连接，用于传输所述基于ERSFQ电路的低温超导读出电路的输出信号；

室温读出电路，与第二传输线连接，用于读出所述基于ERSFQ电路的低温超导读出电路的输出信号。

具体的，所述第二传输线包括超导传输线或约瑟夫森结传输线的一种或两种。

综上所述，本发明的基于ERSFQ电路的低温超导读出电路及读出系统，具有以下有益效果：

1.本发明所述低温超导读出电路通过将模拟信号进行数字化转换，同时在数字信号中保存单路传感器的信号强度、时间及对应传感器在阵列中的位置等信息，从而大幅提高所述低温超导读出电路的抗噪声干扰能力。

2.本发明所述读出系统通过将低温超导传感器阵列的多路输出信号转变为单路信号，从而大幅降低室温与低温环境之间的传输线数量，降低低温制冷机的热负载；同时，本发明所述读出系统是基于新型高能率快速单磁通量子(energy-efficient rapid single flux quantum,ERSFQ)，具有极低的功耗，可以进一步降低低温制冷机的热负载。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。