[发明专利]一种超导纳米线单光子探测器的低温读出方法

说明书

本发明公开了一种超导纳米线单光子探测器的低温读出方法，包括低温下的高输入阻抗放大电路、器件底座及偏置板，所述高输入阻抗放大电路通过同轴线进入室温环境，低温下的超导纳米线单光子探测器利用邦定线的方式连接偏置板，所述偏置板通过排针和直流线连接到室温环境中的电流源，所述超导纳米线单光子探测器放置于器件底座上，所述超导纳米线单光子探测器的输出端利用邦定线连接到高输入阻抗放大电路的输入端。本发明解决了超导纳米线单光子探测器的检测信号微弱、传统50Ω室温读出方式引起的阻抗不匹配和能量损耗问题，可有效提高器件输出信号的脉冲幅度和信噪比，特别是对于串联SNSPD器件，可实现光子数分辨。

技术领域

本发明涉及一种低温读出方法，特别涉及一种适用于超导纳米线单光子探测器的低温读出方法。

背景技术

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)的效率高达93％，暗计数低至10^-4s^-1，最大计数率高达100MHz，时间抖动低至16ps，响应光谱从可见光直至红外，和其他单光子探测器相比具有明显的优势。发展SNSPD阵列，实现光子数分辨、时间分辨和空间分辨是SNSPD发展的一大趋势。然而，SNSPD通常工作在很强的非线性模式下，即使有多个光子同时被吸收，也只有一个脉冲信号产生，但在光谱分析、通信、生物成像、宇宙观测和量子信息处理等诸多场合中，不仅需要对入射的光子作出响应，还需要对入射的光子数，甚至光子入射的时间和空间位置进行分辨。

串联结构SNSPD的读出，选用特定大小的并联电阻可以实现空间分辨，采用多个串联结构可以进一步提升光子数分辨能力。随着串联结构中像元数量的增加，当所有像元同时受激发时，其阻抗将远大于传统商用放大器的50Ω输入阻抗，会引起由于阻抗不匹配而带来的能量损失。

目前已有的超导纳米线单光子探测器的低温读出方式，可以通过16根同轴线利用室温下的商用射频放大器读出8×8多像元阵列的信号，实现对入射光子位置的分辨。此外，利用SFQ这种超导电路在低温环境下对8×8多像元阵列信号进行读出的相关研究工作也在进行当中。但是受同轴线数量和热负载的限制，集成复用的读出方式最终依然会限制阵列的规模，而SFQ设计和制作较为复杂，工作时还需增加额外的磁屏蔽，较为不便。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种超导纳米线单光子探测器的低温读出方法，解决了超导纳米线单光子探测器的检测信号微弱、传统50Ω室温读出方式引起的阻抗不匹配和能量损耗问题，提高器件输出信号的脉冲幅度和信噪比，特别是对于串联SNSPD器件，可实现光子数分辨。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种适用于超导纳米线单光子探测器的低温读出方法，包括低温下的高输入阻抗放大电路、器件底座及偏置板，所述高输入阻抗放大电路通过同轴线进入室温环境，低温下的超导纳米线单光子探测器利用邦定线的方式连接偏置板，所述偏置板通过排针和直流线连接到室温环境中的电流源，所述超导纳米线单光子探测器放置于器件底座上，所述超导纳米线单光子探测器的输出端利用邦定线连接到高输入阻抗放大电路的输入端。

进一步的，所述超导纳米线单光子探测器、高输入阻抗放大电路及偏置板均放置在制冷机(2.3K)内部相连接。更进一步，所述高输入阻抗放大电路的输出端通过制冷机内部同轴线连接到室温中的示波器。

进一步的，所述高输入阻抗放大电路可工作于2.3K极低温环境下，增益可达20dB，且平坦度较好，低温下带宽为100kHz～1.5GHz，功耗只有1mW。

更进一步的，所述高输入阻抗放大电路的输入阻抗为一个6.7K的电阻与3.4pF电容并联。

进一步的，所述高输入阻抗放大电路由三级增益单元以及缓冲级构成。三级增益单元的作用是为了实现放大功能，同时也能够满足增益和带宽的要求，输出缓冲级的作用主要是增加电路的驱动能力，驱动50欧姆负载。