[发明专利]一种超导纳米线单光子探测器的时域抖动仿真方法

说明书

技术领域

本发明涉及单光子探测领域，尤其涉及一种超导纳米线单光子探测器的时域抖动仿真方法。

背景技术

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)自2001年出现以来，已经成为超导电子学领域的一个热点研究方向。作为一种新型的单光子探测技术，SNSPD具有探测效率高、暗计数低、时域抖动小、计数率高、响应频谱宽、以及电路简单等优势。

时域抖动是SNSPD的重要性能指标，决定了SNSPD的时间分辨能力。比如，在时间分辨的荧光谱测量中，SNSPD的时域抖动决定了能够测量的最短荧光寿命；在基于时间-能量纠缠的高维量子密钥分发系统中，时域抖动影响一个光子中所能编码的比特数；在激光测距和光时域反射系统中，时域抖动影响测距精度或空间分辨率；在光子计数的通信系统中，时域抖动影响误码率。

超导纳米线单光子探测器在许多方面具有卓越的性能，但是并不意味着超导纳米线单光子探测器的理论已经完备，尤其是，作为超导纳米线单光子探测器的重要性能指标之一的时域抖动特性，一直以来都未能被详细的阐述，究竟什么因素以及它们如何影响超导纳米线单光子探测器时间抖动的问题还未被解答。

根据研究者们报道，SNSPD的时域抖动范围从小于20ps到大于100ps都存在，即使对于同一个芯片上的器件，他们的时域抖动也不尽相同。研究者们虽然证实时域抖动可能是来自于输出脉冲振幅的抖动，并且已经知道时域抖动与电噪声、放大器带宽、偏置电流、以及纳米线的几何形状有关，但是目前仍然缺乏一个定量的模型来系统地分析SNSPD的时域抖动。综上所述，对SNSPD的时域抖动进行深入的研究势在必行。

发明内容

本发明提供了一种超导纳米线单光子探测器的时域抖动仿真方法，本发明可以模拟不同的噪声对于时域抖动的影响；(2)分析不同器件参数和测试环境对于时域抖动的影响；(3)仿真具有特殊结构的SNSPD时域抖动，有助于开发新型低时域抖动的探测器结构，详见下文描述：

一种超导纳米线单光子探测器的时域抖动仿真方法，所述时域抖动仿真方法包括以下步骤：

在超导纳米线单光子探测器的电热模型中加入电噪声和热噪声，并生成多个输出电压脉冲信号；

设计放大器等效的滤波器，通过所述滤波器对输出电压脉冲信号进行滤波处理，获取时域抖动的数值；

通过所述时域抖动的数值计算时域抖动。

其中，所述在超导纳米线单光子探测器的电热模型中加入电噪声和热噪声的步骤具体为：

1)将偏置电流I_b变为I_b+δI_b(t)，δI_b(t)为n*m的矩阵，矩阵的每一行为一组高斯分布的数组，其均值为0，方差为σI_b；

2)将纳米线宽度w和厚度h分别变为w+δw(x)和h+δh(x)，其中δw(x)和δh(x)同样为n*m的矩阵，矩阵的每一行为一组高斯分布的数组，其均值为0，方差为σw和σh；

3)将衬底温度T_sub变为T_sub+δT_sub(t)，其中δT_sub(t)为1*m的矩阵，矩阵是一组高斯分布的数组，其均值为0，方差为σT。

其中，所述设计放大器等效的滤波器，通过所述滤波器对输出电压脉冲信号进行滤波处理，获取时域抖动的数值的步骤具体为：

1)将采样频率设为和示波器相同的采样率；

2)设计一个巴特沃斯滤波器，带宽为放大器的带宽；对脉冲信号进行插值；

3)将噪声信号放大到原来的gain*NF倍，将不带噪声的电压脉冲信号通过相同的滤波器，再扩大到原来的gain倍；

4)最后将带噪声的电压脉冲信号、与不带噪声的电压脉冲信号叠加，即可得到通过放大器之后的电压脉冲信号；

5)通过上述操作步骤将n个脉冲都通过放大器，用通过放大器之后的电压脉冲信号计算时域抖动的数值。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明可以模拟不同的噪声对于时域抖动的影响，包括偏置电流上的电噪声、射频放大器引入的电噪声、衬底温度的抖动、纳米线空间结构的微小变化；

2、本发明可以分析不同器件参数和测试环境对于时域抖动的影响，包括动能电感、RF放大器的带宽、衬底温度、衬底与纳米线的热交换系数、纳米线宽度和厚度以及纳米线的缺陷；