[发明专利]一种中红外波段的超导纳米线单光子探测系统

说明书

本发明公开了一种中红外波段的超导纳米线单光子探测系统，包括：中红外激光器出射光经过透镜耦合到中红外光纤中；中红外光纤通过真空密封器接入G‑M制冷机，并插入芯片封装装置的陶瓷套筒中；芯片封装装置放置于高真空度的G‑M制冷机中并降温至液氦温区；电压源通过100kΩ电阻、T型偏置器的直流端、同轴电缆为超导纳米线单光子探测器提供偏置电流；超导纳米线单光子探测器探测光子后产生的电脉冲经过同轴电缆、T型偏置器的射频端和放大器后接入计数器或示波器，在计数器或示波器上读出探测信号。本发明提供了一种实现无损耗的中红外光纤真空密封器的方法，提高了中红外波长处超导纳米线单光子探测器的系统探测效率，拓展超导纳米线单光子探测器的应用波长。

技术领域

本发明涉及光电子器件领域，尤其涉及一种中红外波段的超导纳米线单光子探测系统。

背景技术

目前超导纳米线单光子探测器(SNSPDs)在近红外领域已成为目前最优良的单光子探测器，具有高效率(在1550nm波长处系统探测效率93％)，低时域抖动(小于20皮秒)，低暗记数率(1个每秒)等优良性能。其中超导纳米线的系统探测效率是指入射光到器件的耦合效率、器件对入射光的吸收效率、器件本征的内量子效率三者的乘积，而器件探测效率是器件对入射光的吸收效率、器件本征的内量子效率二者的乘积。由于SNSPDs优良的工作性能，在量子光学测量、量子密钥分发、太空地面远距离通信等近红外波长探测方面得到了广泛应用。

由于分子光谱学领域需要中红外波长处高效率的探测以及优良的时域分辨能力，这就需要将超导纳米线单光子探测器的应用波长拓展到中红外领域。而在中红外的4.5微米波段，报道的超导单光子探测器的系统探测效率(system detection efficiency，SDE)为0.05％，不具有实际应用的能力。这就需要设计并搭建出一种应用于中红外波长的高系统探测效率的超导纳米线单光子探测系统。

而实现中红外波长高系统探测效率的超导纳米线单光子探测系统存在一些问题：

1、市面上目前并没有针对于中红外光纤的真空穿通设备(feedthrough)，因而测试系统首先需要实现中红外的真空密封无损耗传输；

2、目前应用于近红外的光学腔结构无法适用于中红外波长，因而探测器芯片需要针对中红外重新设计光学腔结构，实现中红外高效率的光吸收；

3、封装方面需要提高中红外光纤与探测器芯片之间的耦合效率。

发明内容

本发明提供了一种中红外波段的超导纳米线单光子探测系统，本发明通过中红外光纤真空穿通装置搭建、超导纳米线器件光学腔设计和自准直封装三个部分的设计，提高中红外波长处超导纳米线单光子探测器的系统探测效率，拓展超导纳米线单光子探测器的应用波长，详见下文描述：

一种中红外波段的超导纳米线单光子探测系统，所述系统包括：

中红外激光器出射光经过透镜耦合到中红外光纤中；中红外光纤通过真空密封器接入G-M制冷机，并插入芯片封装装置的陶瓷套筒中；

芯片封装装置放置于高真空度的G-M制冷机中并降温至液氦温区；电压源通过100kΩ电阻、T型偏置器的直流端、同轴电缆为超导纳米线单光子探测器提供偏置电流；

超导纳米线单光子探测器探测光子后产生的电脉冲经过同轴电缆、T型偏置器的射频端和放大器后接入计数器或示波器，在计数器或示波器上读出探测信号。

其中，所述中红外光纤的真空穿通密封器结构包括：

利用侧开槽的橡胶密封塞和真空密封胶将中红外光纤密封在盲板上；

将盲板安放在制冷机的接口上，用卡箍密封。

进一步地，