[发明专利]一种带有自增益结构的超导纳米线单光子探测器

说明书

技术领域

本发明涉及光电子器件领域，尤其涉及一种带有自增益结构的超导纳米线单光子探测器。

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。

为了减小时域抖动，通常的方法是增加偏置电流。由于超导纳米线的临界电流密度是一个定值，所以要增大偏置电流势必要增加纳米线的宽度；而增加纳米线的宽度就会降低超导纳米线单光子探测器的探测效率，因此在超导纳米线单光子探测器的时域抖动和探测效率之间存在矛盾。为此需要一种超导纳米线单光子探测器，可以在不牺牲探测效率的前提下减小时域抖动。

发明内容

本发明提供了一种带有自增益结构的超导纳米线单光子探测器，本发明在不牺牲探测效率的情况下，减小超导纳米线单光子探测器的时域抖动，详见下文描述：

一种带有自增益结构的超导纳米线单光子探测器，所述超导纳米线单光子探测器包括：作为光敏区的第一纳米线，所述超导纳米线单光子探测器还包括：

作为自增益区的第二纳米线，所述第一纳米线与所述第二纳米线并联连接；

所述第二纳米线与所述第一纳米线的宽度比值为N，N的取值大于1；

所述第一纳米线用于探测光子，所述第二纳米线用于储存电流，实现对脉冲信号的放大；

在所述第一纳米线与所述第二纳米线的并联支路上，串联第三纳米线，所述第三纳米线的宽度为第一和第二纳米线的和；

所述第二纳米线的长度用于控制第一和第二纳米线的电感比例，通过调节所述第二纳米线的长度，控制第一和第二纳米线的长度比例，进而控制电感比例，使第一和第二纳米线都处于高偏置电流的状态；

所述第三纳米线用于增加支路总电感，通过控制所述第三纳米线长度控制支路总电感，以此防止热闭锁效应。

第一纳米线吸收光子，被触发；第一纳米线的电流被分流到自增益区中；

第一纳米线和第二纳米线同时被触发，偏置电流都被分流到负载电阻上，获取到电压幅值比较大的脉冲；

随后第一纳米线和第二纳米线被冷却，恢复超导状态，偏置电流回流到第一纳米线和第二纳米线中，直到达到探测光子之前的状态。

所述第一纳米线为回型结构纳米线。

将所述第三纳米线的长度等效为串联电感的取值，所述串联电感的取值具体为：

令串联电感以10nH为单位取一系列值，分别代入到电热模型中进行仿真，然后挑出没有发生热闭锁效应、且电感值最小的串联电感，将最小的串联电感对应的电感值作为串联电感值。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明实施例通过将传统SNSPD的回型结构纳米线作为光敏区、和一根比传统SNSPD纳米线更粗的纳米线作为自增益区并联，同时串联一个更粗的纳米线，实现对SNSPD信号的自增益，并降低SNSPD的时域抖动；通过设计串联纳米线的长度，控制支路总电感，防止热闭锁效应。本发明实施例在不牺牲探测效率的情况下，减小了超导纳米线单光子探测器的时域抖动，满足了实际应用中的多种需要。

附图说明

图1为带有自增益结构的超导纳米线单光子探测器的电路示意图；

图2为电流自增益结构SNSPD纳米线形状扫描电子显微镜照片；

图3为不同宽度的电流自增益结构产生脉冲仿真结果示意图；

图4为电流自增益结构产生脉冲上升沿时间与自增益区宽度关系示意图；

图5为电流自增益结构产生脉冲恢复时间与自增益区宽度关系示意图；

图6为上升沿幅度的一半处的斜率与自增益区宽度关系示意图；

图7为电流自增益结构产生脉冲的幅度与自增益区宽度关系示意图。

附图中，各部件代表的列表如下：

1：第一纳米线(作为光敏区)；2：第二纳米线(作为自增益区)；

3：第三纳米线(作为串联电感L_s)。

具体实施方式