[发明专利]一种无需射频放大器的超导纳米线单光子探测器系统

说明书

本发明公开了一种无需射频放大器的超导纳米线单光子探测器系统，包括：单模光纤，单模光纤将光源出射的光导入到闭循环制冷机中，闭循环制冷机内设置有SNSPD，通过同轴电缆电连接偏置T，还设置有与SNSPD配合工作的光纤聚焦器，光纤聚焦器连接单模光纤末端；偏置电流由低噪声稳压源和与稳压源串联的低噪声电阻组成的直流源提供，电流经由偏置T的射频与直流端进入SNSPD中，当被光子触发产生响应脉冲时，局部变为阻态，脉冲信号迅速由偏置T的射频端流出；利用示波器采集脉冲波形，进行光子计数，有效避免传统SNSPD读出电路由于交流耦合效应限制的最大光子计数。本发明在读出电路不使用射频放大器的前提下在示波器上显示脉冲波形，实现输出脉冲的自我放大。

技术领域

本发明涉及光电子器件领域，尤其涉及一种超导纳米线单光子探测器系统，该系统无需射频放大器。

背景技术

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)是21世纪初新兴的一种单光子探测器，相比于以往的光电倍增管(PMT)以及雪崩二极管探测器(APD)，它利用超导材料的超导转变特性将光信号转化成电信号，通过电信号计数实现光子计数。该种探测器具有探测速率高、器件效率高、计数率高、暗计数率低、以及时域抖动小的优点，已在许多领域得到广泛应用，比如：光子计数通信、生物医学成像、以及时间分辨光谱领域。

传统SNSPD系统中，SNSPD器件结构为回形线结构，读出电路中有射频放大器以提高输出脉冲的信噪比。但是，系统的最大计数率受限。

光子计数率是SNSPD系统的一项重要指标，它受到以下三个方面的制约：

(1)传统SNSPD的读出电路属于交流耦合电路，射频放大器和SNSPD之间的电容耦合效应会减小SNSPD的临界电流，限制它的最大计数率。这种交流耦合效应可以通过使用直流耦合放大电路来移除，达到SNSPD计数率的第二层制约。

(2)由动态电感制约的器件响应速度。SNSPD的电学时间常数为动态电感与50欧姆等效电阻的比值，通过减小电学时间常数可以提高响应速度，进一步实现最高光子计数，直到达到SNSPD计数率的第三层制约。

(3)由热学时间常数制约SNSPD正常工作的最快响应速度。其中，第一层与第二层制约可以通过合理设计器件结构与读出电路来移除。

因此，合理设计一个SNSPD系统，移除影响光子计数率的制约因素，对SNSPD实现最大光子计数有重要意义。

发明内容

本发明提供了一种无需射频放大器的超导纳米线单光子探测器系统，该SNSPD与电流库在结构上进行集成，可以在不使用射频放大器的前提下实现输出脉冲的自我放大，且总体动态电感减小，提高了器件响应速度；去掉射频放大器利用示波器采集脉冲波形，进行光子计数，有效避免了传统SNSPD读出电路由于交流耦合效应限制的最大光子计数。详见下文描述：

一种无需射频放大器的超导纳米线单光子探测器系统，包括：单模光纤，

单模光纤将光源出射的光导入到闭循环制冷机中，闭循环制冷机内设置有SNSPD，SNSPD通过同轴电缆电连接偏置T，还设置有与SNSPD配合工作的光纤聚焦器，光纤聚焦器连接单模光纤末端；

SNSPD的偏置电流由低噪声稳压源和与稳压源串联的低噪声电阻组成的直流源提供，电流经由偏置T的射频与直流端进入SNSPD中；

当SNSPD被光子触发产生响应脉冲时，局部变为阻态，脉冲信号迅速由偏置T的射频端流出；

利用示波器采集脉冲波形，进行光子计数，有效避免传统SNSPD读出电路由于交流耦合效应限制的最大光子计数。

进一步地，所述SNSPD与电流库在结构上集成，在不使用射频放大器的前提下实现输出脉冲的自我放大。

具体实现时，所述SNSPD由第一、第二、第三纳米线构成。