[实用新型]适用于超导纳米线单光子探测器的室温读出电路

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种读出电路，特别涉及一种适用于超导纳米线单光子探测器的室温读出电路。 

背景技术

超导纳米线单光子探测器（superconducting-nanowire single-photon detector，SNSPD）是一种新型的单光子探测器。探测器感光部分使用超导薄膜，例如氮化铌薄膜，制备成的纳米线构成。探测器工作时需要被偏置在超导临界电流之下。当纳米线条吸收光子后，吸收区域的超导态被破坏，在电路上表现为流经探测器上电流突然下降。随后纳米线条经过冷却过程，恢复到初始状态。探测器吸收光子的过程在电路上表现为一快速上升，随后指数衰减的电脉冲。通过将此脉冲信号放大，我们就可以鉴别单光子的到达。 

相比于半导体单光子探测器中常用的雪崩二极管和光电倍增管，经过近年来的发展SNSPD的性能大大提高。在探测效率上，使用氮化铌材料制备的探测器，其探测效率>70%，使用钨化硅材料制备的探测器，其探测效率>90%。由于此种探测器使用超导材料，需要工作在极低温环境下，其暗计数小于100Hz。探测器吸收光子的瞬态过程快，仅为100ps左右，时间抖动小于50ps，理论重复速率大于100MHz。此种探测器工作在常开模式下，不需要门控电路。经过结构上的改进，这种探测器还可以衍生出光子数分辨的能力。基于超导纳米线单光子探测器突出的性能，近几年来，它被应用于量子保密通讯、集成电路检测、生物荧光检测、单光子源标定、分布式光纤传感、深度成像等领域。 

每秒内探测器输出脉冲的个数称为计数率。随着SNSPD探测效率的提高，在同样光强的情况下，探测器的计数率将逐步提高；同时，在一些入射光强度高于单光子量级的应用下，探测器的计数率也随着光强增加而增加。由于探测器输出信号需要经过射频放大器放大，而射频放大器多使用交流耦合模式来隔断输入端对放大器静态偏置的影响，随着探测器计数率的提高，隔直电容将被输入脉冲持续充电，积累电势。此电势将提高探测器的偏置电流。当探测器的偏置电流高于其临界电流时，探测器进入电阻锁定状态而不能再响应光子；同时，由于探测器的探测效率同偏置电流有关，电容的充电效应也带来了探测器探测效率同入射光强的非线性效应。 

通过在探测器芯片附近使用直流耦合放大器，可以避免在探测器输出回路上使用电容，从而消除电容对计数率的限制。但此直流耦合放大器需要贴近探测器芯片，共同工作在低温环境下，此类放大器需要自主设计，在工程上存在难度，也不易于实际应用与调试。 

实用新型内容

实用新型目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本实用新型的目的是提供一种适用于超导纳米线单光子探测器的室温读出电路。 

技术方案：为实现上述实用新型目的，本实用新型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室温读出电路，包括由探测器到外部检测仪器的同轴线、功分器、直流偏置回路和射频放大回路；所述探测器的输出信号通过同轴线由低温工作区传输至室温环境；所述功分器将输出信号等分为二路，一路信号经过射频放大回路至外部检测仪器，另一路信号经过直流偏置回路中的偏置器的射频端口泄放至匹配的负载上。 

进一步的，所述探测器安装在制冷装置（例如循环制冷机等）的内部，所述探测器通过制冷装置的同轴电缆接口的一侧连接室温读出电路。更进一步的，所述制冷装置的同轴电缆接口的另一侧接功分器的合并端口，所述功分器的第一分束端口接直流偏置回路，所述功分器的第二分束端口接射频放大回路，将射频信号和直流信号分开。 

进一步的，所述功分器为电阻型功分器。 

进一步的，所述射频放大回路包括射频放大器和同轴反射线，所述射频放大器的输入前端接同轴线，所述同轴线的末端接短路负载，所述同轴线和短路负载构成同轴反射线。该同轴线的长度根据探测器输出特点选择，典型值为10cm。 

更进一步的，所述射频放大器使用交流耦合方式。 

更进一步的，所述同轴线通过SMA三通接头并联在射频放大器的输入端。 

进一步的，所述直流偏置回路包括依次连接的偏置器、偏置电阻和可调电压源，为探测器提供恒定的电流偏置。 

更进一步的，所述偏置器的射频和直流公共端口接功分器的第一分束端口，所述偏置器的射频输出端口接 的匹配负载，所述偏置器的直流接入端口接的偏置电阻和可调电压源。 

更进一步的，所述可调电压源为可调直流电压源，通过串联电阻对探测器进行恒流源偏置。