提高超导纳米线单光子探测器计数率的方法及系统

摘要

本发明提供一种提高超导纳米线单光子探测器计数率的方法及系统，方法包括如下步骤：于所述超导纳米线单光子探测器的输出端串联一电衰减器；其中，所述电衰减器包括输入端及输出端，所述电衰减器的输入端与所述超导纳米线单光子探测器的输出端相连接。本发明通过在超导纳米线单光子探测器的输出端串联电衰减器，由于电衰减器的构型是一个电阻网络，即可以充当串联电阻，同时也可以降低超导纳米线单光子探测器响应脉冲幅度，可以弱化超导纳米线单光子探测器与放大器之间的耦合，降低过冲、反射及电压偏移对超导纳米线单光子探测器的影响，从而改善所述超导纳米线单光子探测器的计数率，并使得所述超导纳米线单光子探测器具有较高的探测效率。

说明书

技术领域

本发明属于光探测器件技术领域，特别是涉及一种提高超导纳米线单光子探测器计数率的方法及系统。

背景技术

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)作为近年来的明星单光子探测器，可以同时具有极高探测效率、极低暗计数和极低时间抖动的优点，将这些优点应用到量子通信、量子计算等量子信息科学实验中，已经取得了多项世界纪录。但量子通信和量子计算的下一步发展对高速高效超导纳米线单光子探测器有迫切的需求。目前，探测器的探测效率可以达到90％以上，但随着输入光强的增加，探测效率与计数率通过放大器耦合电容耦合到一起，产生非线性效应，使得探测效率下降，器件闩锁到有阻态。

提高超导纳米线单光子探测器的方法有很多，例如基于半导体晶体管的低温直流耦合放大器，但是其设计较为困难，实现周期较长；极低功耗的超导单磁通量子(SFQ)读出电路，但是其工艺较难实现，且使用过程中需要磁屏蔽；基于阻性功分器和带有短路终端的同轴线的电容接地方案，但是其需要电路元件较多，并会增加探测器的时间抖动；基于多像元的阵列方案，但是其受限于工艺水平，器件成品率随着像元数目的增多而降低。

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提高超导纳米线单光子探测器计数率的方法及系统，用于解决现有技术中的超导纳米线单光子探测器与放大器耦合电容耦合在一起时探测效率随计数率提高而显著下降的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种提高超导纳米线单光子探测器计数率的方法，包括如下步骤：

于所述超导纳米线单光子探测器的输出端串联一电衰减器；

其中，所述电衰减器包括输入端及输出端，所述电衰减器的输入端与所述超导纳米线单光子探测器的输出端相连接。

优选地，所述电衰减器包括T型电衰减器、π型电衰减器、O型电衰减器或H型衰减器。

本发明提供一种提高超导纳米线单光子探测器计数率的系统，所述提高超导纳米线单光子探测器计数率的系统包括：制冷装置、超导纳米线单光子探测器、电衰减器、偏置树、放大器、恒流源及计数器；其中，

所述超导纳米线单光子探测器包括输入端、输出端及接地端，所述超导纳米线单光子探测器的接地端接地；

所述电衰减器包括输入端及输出端，所述电衰减器的输入端与所述超导纳米线单光子探测器的输出端相连接；所述电衰减器及所述超导纳米线单光子探测器位于所述制冷装置内；

所述偏置树包括输入端、第一输出端及第二输出端，所述偏置树的输入端与所述电衰减器的输出端相连接；

所述恒流源与所述偏置树的第一输出端相连接；

所述放大器包括输入端、输出端及接地端，所述放大器的输入端与所述偏置树的第二输出端相连接，所述放大器的接地端接地；

所述计数器与所述放大器的输出端相连接。

优选地，所述制冷装置包括G-M制冷机。

优选地，所述提高超导纳米线单光子探测器计数率的系统还包括光纤及同轴电缆；其中，所述激光源与所述光衰减器、所述光衰减器与所述偏振控制器、所述偏振控制器与所述超导纳米线单光子探测器均经由所述光纤相连接；所述超导纳米线单光子探测器与所述电衰减器、所述电衰减器与所述偏置树、所述偏置树与所述恒流源及所述放大器、所述放大器与所述计数器均经由所述同轴电缆相连接。

优选地，所述超导纳米线单光子探测器为超导纳米线单光子探测器。

优选地，所述电衰减器包括T型电衰减器、π型电衰减器、O型电衰减器或H型衰减器。

优选地，所述偏置树包括电容及电感，其中，所述电容与所述电感串联，且所述电容远离所述电感的一端作为所述偏置树的第二输出端，所述电容与所述电感的连接节点作为所述偏置树的输入端，所述电感远离所述电容的一端作为所述偏置树的第一输出端。

优选地，所述放大器包括耦合电容及负载阻抗，其中，所述耦合电容与所述负载阻抗串联，且所述耦合电容远离所述负载阻抗的一端作为所述放大器的输入端，所述耦合电容与所述负载阻抗的连接节点作为所述放大器的输出端，所述负载阻抗远离所述耦合电容的一端作为所述放大器的接地端。

优选地，所述提高超导纳米线单光子探测器计数率的系统还包括：激光源、光衰减器及偏振控制器；其中，

所述光衰减器包括输入端及输出端，所述光衰减器的输入端与所述激光源相连接；

所述偏振控制器包括输入端及输出端，所述偏振控制器的输入端与所述光衰减器的输出端相连接，所述偏振控制器的输出端与所述超导纳米线单光子探测器的输入端相连接。

优选地，所述提高超导纳米线单光子探测器计数率的系统还包括光纤；其中，所述激光源与所述光衰减器、所述光衰减器与所述偏振控制器、所述偏振控制器与所述超导纳米线单光子探测器均经由所述光纤相连接。

如上所述，本发明的提高超导纳米线单光子探测器计数率的方法及系统，具有以下有益效果：本发明通过在超导纳米线单光子探测器的输出端串联电衰减器，由于电衰减器的构型是一个电阻网络，即可以充当串联电阻，同时也可以降低超导纳米线单光子探测器响应脉冲幅度，可以弱化超导纳米线单光子探测器与放大器之间的耦合，降低过冲、反射及电压偏移对超导纳米线单光子探测器的影响，从而改善所述超导纳米线单光子探测器的计数率，并使得所述超导纳米线单光子探测器具有较高的探测效率；同时，本发明的所述提高超导纳米线单光子探测器计数率的系统还具有结构简单、便于实现及成本低等优点。

附图说明

图1及图2显示为本发明提供的提高超导纳米线单光子探测器计数率的系统的结构示意图。

图3显示为本发明提供的提高超导纳米线单光子探测器计数率的系统中的π型电衰减器内部的电路图。

图4显示为本发明提供的提高超导纳米线单光子探测器计数率的系统中的偏置树内部的电路图。

图5显示为本发明提供的提高超导纳米线单光子探测器计数率的系统中的放大器内部的电路图。

图6显示为本发明提供的提高超导纳米线单光子探测器计数率的系统中的超导纳米线单光子探测器为直径15μm的基于NbN薄膜的超导纳米线单光子探测器与超导纳米线单光子探测器并联50欧姆电阻的系统的探测效率随光强的变化对比图；其中，曲线①为本发明中电衰减器为6dB电衰减器的系统的曲线，曲线②为所述超导纳米线单光子探测器并联50欧姆的电阻的系统的曲线。

元件标号说明

10 制冷装置

11 超导纳米线单光子探测器

12 电衰减器

13 偏置树

14 放大器

15 恒流源

16 计数器

17 同轴电缆

18 激光源

19 光衰减器

20 偏振控制器

21 光纤

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～图6。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，图示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。

请参阅图1，本发明提供一种提高超导纳米线单光子探测器计数率的方法，所述提高超导纳米线单光子探测器计数率的方法包括如下步骤：

于所述超导纳米线单光子探测器11的输出端串联一电衰减器12；其中，所述电衰减器12包括输入端及输出端，所述电衰减器12的输入端与所述超导纳米线单光子探测器11的输出端相连接。

作为示例，所述电衰减器12包括T型电衰减器、π型电衰减器、O型电衰减器或H型衰减器。以所述电衰减器12为π型衰减器为例，如图3所示，所述电衰减器12包括第一电阻R1、第二电阻R2及第三电阻R3，所述电衰减器12的输入端包括第一输入节点及第二输入节点，所述电衰减器12的输出端包括第一输出节点及第二输出节点；其中，所述第一电阻R1的一端与所述电衰减器12的第一输入节点相连接，所述第一电阻R1的另一端与所述电衰减器12的第二输入节点及第二输出节点相连接；所述第二电阻R2一端与所述第一电阻R1及所述电衰减器12的第一输入节点相连接，另一端与所述第三电阻R3及所述电衰减器12的第一输出节点相连接；所述第三电阻R3一端与所述第二电阻R2远离所述第一电阻R1的一端及所述电衰减器12的第一输出节点相连接，另一端与所述电衰减器12的第二输入节点及第二输出节点相连接。

请参阅图1，本发明还提供一种提高超导纳米线单光子探测器计数率的系统，所述提高超导纳米线单光子探测器计数率的系统包括：制冷装置10、超导纳米线单光子探测器(SNSPD)14、电衰减器12、偏置树13、放大器14、恒流源15及计数器16；其中，所述超导纳米线单光子探测器11包括输入端、输出端及接地端，所述超导纳米线单光子探测器11的接地端接地；所述电衰减器12包括输入端及输出端，所述电衰减器12的输入端与所述超导纳米线单光子探测器11的输出端相连接；所述电衰减器12及所述超导纳米线单光子探测器11位于所述制冷装置10内；所述偏置树13包括输入端、第一输出端及第二输出端，所述偏置树13的输入端与所述电衰减器12的输出端相连接；所述恒流源15与所述偏置树13的第一输出端相连接；所述放大器14包括输入端、输出端及接地端，所述放大器14的输入端与所述偏置树13的第二输出端相连接，所述放大器14的接地端接地；所述计数器16与所述放大器14的输出端相连接。

作为示例，所述制冷装置10可以为现有的任意一种可以实现制冷降温的装置，优选地，本实施例中，所述制冷装置10为G-M制冷机；所述G-M制冷机是由GIFFord W E和McMahon H O在1959年发明的一种低温回热式气体制冷机。

作为示例，所述提高超导纳米线单光子探测器计数率的系统还包括同轴电缆17，所述超导纳米线单光子探测器11与所述电衰减器12经由一段所述同轴电缆17相连接，所述电衰减器12与所述偏置树13经由另一段所述同轴电缆17相连接，所述偏置树13与所述恒流源15及所述放大器14经由又一段所述同轴电缆17相连接，所述放大器14与所述计数器16经由又一段所述同轴电缆17相连接。

作为示例，所述超导纳米线单光子探测器11可以为但不仅限于基于NbN薄膜的超导纳米线单光子探测器。当然，在其他示例中，所述超导纳米单光子探测器14还可以为现有的其他任一种超导纳米线单光子探测器。

作为示例，如图2所示，所述提高超导纳米线单光子探测器计数率的系统还包括：激光源18、光衰减器19及偏振控制器20；其中，所述光衰减器19包括输入端及输出端，所述光衰减器19的输入端与所述激光源18相连接；所述偏振控制器20包括输入端及输出端，所述偏振控制器20的输入端与所述光衰减器19的输出端相连接，所述偏振控制器20的输出端与所述超导纳米线单光子探测器11的输入端相连接。

作为示例，所述提高超导纳米线单光子探测器计数率的系统还包括光纤21，其中，所述激光源18与所述光衰减器19经由一段所述光纤21相连接，所述光衰减器19与所述偏振控制器20经由另一段所述光纤21相连接，所述偏振控制器20与所述超导纳米线单光子探测器11经由又一段所述光纤21相连接。

作为示例，所述电衰减器12包括T型电衰减器、π型电衰减器、O型电衰减器或H型衰减器。以所述电衰减器12为π型衰减器为例，如图3所示，所述电衰减器12包括第一电阻R1、第二电阻R2及第三电阻R3，所述电衰减器12的输入端包括第一输入节点及第二输入节点，所述电衰减器12的输出端包括第一输出节点及第二输出节点；其中，所述第一电阻R1的一端与所述电衰减器12的第一输入节点相连接，所述第一电阻R1的另一端与所述电衰减器12的第二输入节点及第二输出节点相连接；所述第二电阻R2一端与所述第一电阻R1及所述电衰减器12的第一输入节点相连接，另一端与所述第三电阻R3及所述电衰减器12的第一输出节点相连接；所述第三电阻R3一端与所述第二电阻R2远离所述第一电阻R1的一端及所述电衰减器12的第一输出节点相连接，另一端与所述电衰减器12的第二输入节点及第二输出节点相连接。

作为示例，如图4所示，所述偏置树13包括电容C及电感L，其中，所述电容C与所述电感L串联，且所述电容C远离所述电感L的一端作为所述偏置树13的第二输出端，所述电容C与所述电感L的连接节点作为所述偏置树13的输入端，所述电感L远离所述电容C的一端作为所述偏置树13的第一输出端。其中，所述偏置树13的输入端输入DC&RF(即直流及射频信号)，所述偏置树13用于将所述直流及射频信号隔离开，并将隔离开的直流信号经由所述第一输出端输出(即所述第一输出端为DC端)，隔离开的射频信号经由所述第二输出端输出(即所述第二输出端为RF端)。

作为示例，如图5所示，所述放大器14包括耦合电容C0及负载阻抗R0，其中，所述耦合电容C0与所述负载阻抗R0串联，且所述耦合电容C0远离所述负载阻抗R0的一端作为所述放大器14的输入端，所述耦合电容C0与所述负载阻抗R0的连接节点作为所述放大器14的输出端，所述负载阻抗R0远离所述耦合电容C0的一端作为所述放大器14的接地端。

在现有的未增设所述电衰减器12的系统(该系统为将本发明图1中的所述电衰减器12去掉，其他组件及连接关系不变)中，所述超导纳米线单光子探测器11直接经由所述偏置树13与所述放大器14相连接，此时，所述超导纳米线单光子探测器11的计数率不仅受限于所述超导纳米线单光子探测器11的动态电感，还受到所述放大器14中的所述耦合电容C0的影响。所述超导纳米线单光子探测器11独处电路由所述超导纳米线单光子探测器11的动态电感、所述放大器14的耦合电容C0及所述负载阻抗R0形成一个二阶RLC串联谐振电路。所述二阶RLC串联谐振电路产生的谐振一方面会在所述超导纳米线单光子探测器的响应波形尾端产生过冲，另一方面，由于所述超导纳米线单光子探测器响应波形较宽，在输入高重复频率单光子脉冲时，所述放大器14的耦合电容C0不能及时充放电，所述耦合电容C0上积累的电荷使得响应波形的零电压基线向下偏移，由于所述超导纳米线单光子探测器11与所述放大器14并联，电压偏移对所述超导纳米线单光子探测器11实际的偏置电流提高，超过临界电流，使得所述超导纳米线单光子探测器11失超。因此，为了提高所述超导纳米线单光子探测器11的计数率，必须弱化所述超导纳米线单光子探测器11与所述放大器14之间的耦合，降低过冲、反射、电压偏移对所述超导纳米线单光子探测器11的影响。电压偏移是由于所述放大器14的所述耦合电容C0充放电速度过慢导致，由于所述放大器14的所述耦合电容C0不变，我们可以通过降低所述超导纳米线单光子探测器11响应波形幅度和脉宽来加快所述放大器14的所述耦合电容C0的充放电速度。所述超导纳米线单光子探测器11的过冲可以通过降低所述超导纳米线单光子探测器11的动态电感和所述超导纳米线单光子探测器11端串联电阻来实现。本申请的所述提高超导纳米线单光子探测器计数率的系统通过在所述超导纳米线单光子探测器11与所述偏置树13之间增设所述电衰减器12，由于所述电衰减器12的构型为一个电阻网络，既可以充当串联电阻，同时也可以降低所述超导纳米线单光子探测器11的响应脉冲幅度，本申请的所述提高超导纳米线单光子探测器计数率的系统可以降低过冲、反射及电压偏移对所述超导纳米线单光子探测器11的影响，从而改善所述超导纳米线单光子探测器11的计数率，且可以同时保持所述超导纳米线单光子探测器11具有较高的探测效率。

请参阅图6，以本发明中的所述超导纳米线单光子探测器11为直径15μm的基于NbN薄膜的超导纳米线单光子探测器为例，将其与超导纳米线单光子探测器并联50欧姆的电阻的系统进行比对可知，在相同的光强下，本申请的所述提高超导纳米线单光子探测器计数率的系统中的超导纳米线单光子探测器11相较于超导纳米线单光子探测器并联50欧姆的电阻的系统中的超导纳米线单光子探测器具有更高的探测效率。

综上所述，本发明提供一种提高超导纳米线单光子探测器计数率的方法及系统，所述提高超导纳米线单光子探测器计数率的方法包括如下步骤：于所述超导纳米线单光子探测器的输出端串联一电衰减器；其中，所述电衰减器包括输入端及输出端，所述电衰减器的输入端与所述超导纳米线单光子探测器的输出端相连接。本发明通过在超导纳米线单光子探测器的输出端串联电衰减器，由于电衰减器的构型是一个电阻网络，即可以充当串联电阻，同时也可以降低超导纳米线单光子探测器响应脉冲幅度，可以弱化超导纳米线单光子探测器与放大器之间的耦合，降低过冲、反射及电压偏移对超导纳米线单光子探测器的影响，从而改善所述超导纳米线单光子探测器的计数率，并使得所述超导纳米线单光子探测器具有较高的探测效率；同时，本发明的所述提高超导纳米线单光子探测器计数率的系统还具有结构简单、便于实现及成本低等优点。

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。