[发明专利]一种高速超导纳米线单光子探测器结构

说明书

本发明公开了一种高速超导纳米线单光子探测器结构，包括串联的雪崩纳米线探测器、并联电阻，雪崩纳米线探测器由两根或多根纳米线并联成一组，每四组或多组串联在一起构成蜿蜒结构的雪崩纳米线单元，雪崩纳米线单元在首端和末端并联电阻，形成一个探测单元，若干个探测单元串联，形成一个探测器阵列，整个阵列结构的射频输出端口，串联一电阻R_s。本发明整个阵列的输出为一个端口，降低了对低温系统和读出电路的要求；通过调整R_h，R_s，和L_k，可以最优化探测器的速度；采用条形电阻的工艺，能够最小化电阻同超导纳米线之间的连接电感，同时并不影响超导纳米线核心探测区域的结构，保证了探测器的探测效率不受电路结构的影响。

技术领域

本发明涉及一种高速超导纳米线单光子探测器，通过器件电路结构、读出方式和制备方案的优化，缩短了探测器的恢复时间，提高最大计数率。

背景技术

深空通信、量子通信等应用中，既需要探测器保持较高的探测效率、较低的暗计数，从而实现对单个光子的探测，同时也要求探测器具备高速探测的能力，即响应一个光子后，其探测效率能够在短时间内恢复至初始值，达到对下一个光子的再次探测。

超导纳米线单光子探测器具备高效率、低暗计数的特性，但由于纳米线的长度较常，通常具备几百nH的动态电感值。因此，探测器在探测一次光子后，偏置电流的恢复需要经过一次一阶充电过程，充电的时间常数为L_k/R_L(L_k为探测器的总动态电感，R_L为负载电阻，通常为50Ω)。若以纳米线宽100nm，间距100nm，10μm×0μm探测面积为例，纳米线的总长度为500μm，总电感约为400nH(表面动态电感值为80pH/square)，偏置电流的恢复时间常数为8ns，偏置电流恢复至90％的初始值所需时间约为2.3倍的时间常数，达到18.4ns。因此，通常一个超导纳米线单光子探测器的最大计数率仅为

将多个超导纳米线单光子探测器组合成为阵列结构，独立工作，可以获得更快的探测速率。一方面，采用阵列结构后，同样探测面积下，单个探测单元的纳米线尺寸减小，恢复时间更快；另一方面，由于多个探测器单元并行工作，某一个探测器单元响应光子后，其它的探测单元依然可以保持高效率探测能力。因此，采用阵列结构的超导纳米线探测器的速度更快，计数率能够达到几百Mcps。但是，阵列探测器需要多路输出，当单元数目较多时，输出引线将占用部分纳米线探测区域，从而降低整体的探测效率；低温系统需要更大的制冷功率，从而提供更多的高频同轴线连接；外部对于多个探测单元的输出信号需要进行整合。超导纳米线单光子探测器阵列的工作相比单个探测器更加复杂。

发明内容

针对上述现有技术的问题和不足，本发明的目的使通过改变超导纳米线的结构和读出方式，通过引入单元并联电阻和阵列串联电路，同时优化了单元恢复时间和阵列的恢复时间，通过一路射频输出，实现对串联型超导纳米线探测器阵列的读出，在不增加读出复杂度的同时，实现高速单光子探测。

本发明采用如下技术方案：

一种高速超导纳米线单光子探测器结构，包括雪崩纳米线探测器、并联电阻R_h，所述雪崩纳米线探测器采用串联型雪崩纳米线结构，即由两根或多根纳米线并联成一组，每四组或多组串联在一起构成蜿蜒结构的雪崩纳米线单元，雪崩纳米线单元在首端和末端并联电阻R_h，形成一个探测单元，若干个探测单元串联，形成一个探测器阵列，整个阵列结构的射频输出为一个端口。

更进一步地，还包低温读出电路，雪崩纳米线探测器的直流偏置由外部低噪声电流源经过偏置电感L_s提供，整个阵列结构的射频输出端口串联电阻R_s、耦合电容C_p和低温射频放大器。

更进一步地，所述耦合电容C_p包含在低温射频放大器中。