[发明专利]一种高速超导光子相机

说明书

本发明公开了一种高速超导光子相机，包括：大量蜿蜒结构纳米线构成的像元、片上电路方案、光耦合方案和外部读出电路方案；像元之间用延迟线相互连接成为一行或多行，这中单行或多行结构阵列排列在共焦平面，构成大面阵相机光敏面，像素可以超过4‑1000000像素。本发明的相机帧率最高可达1000帧/秒，光子探测效率最高达到98.5％，工作波段为300nm‑10μm；能够实时同步探测大量光子时间和位置信息，能够直接捕捉到物体表面反射或直接发射的光学信息，还原出物体特有的光学分辨信息，实现主动或被动高灵敏高速光子成像。

技术领域

本发明涉及超导单光子探测技术领域，尤其是一种高速超导光子相机。

背景技术

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)可以应用在量子通讯、单光子源标定、长距离测距、无损集成电路检测、光纤时域反射计及其传感、时间飞行深度成像等多个涉及到单光子或者高速弱光检测的领域。通常使用热岛模型来唯像地解释超导单光子探测器的工作原理：1.纳米线在超导温度下被施加一个略低于超导转变电流I_c的偏置电流(比如0.9I_c)；2.当光子被纳米线吸收后，局部区域形成热岛，热岛部分电阻升高；3.电流在热岛及其附近传输时，热岛电阻区域在焦耳热效应的协助下持续增长，并导致了纳米线电流的下降；4.纳米线上电流降低的同时减弱了电阻区的焦耳热效应；5.同时，温度高的区域向周围环境散热，总效果是电阻区域逐渐缩小；6.当温度恢复到环境温度后，电阻区域消失，纳米线上的电流恢复到初始状态。纳米线吸收光子，导致了纳米线上传导电流的变化，并在外部电路上形成可供探测的电压脉冲信号。外部电路探测到的电压脉冲幅值V_p同探测器的偏置电流I_b的关系，可以简单描述如下：

V_p＝(I_b-I₀)×R×G (1)

式中，R为外部电路放大器输入端的阻抗，G为放大器的增益，I₀为探测器响应光子时，电流降低的最小值。从式中可以看出超导纳米线探测器输出的电压脉冲信号只与其偏置电流和电流降低幅值有关，无法反应出探测器接收光子的数量和能量等信息。

单个超导纳米探测器的探测效率已经高于半导体雪崩光电二极管(avalanchephotodiode，APD)，但SNSPD是一种“二进制”光子探测器，只能表征是否接收到光子，无法输出光子的数量和空间位置分布的信息。所以如何让超导纳米线探测器获取更多的光子信息，是超导单光子探测器领域的一大难点，同时也是激光雷达、量子成像等领域发展所亟待克服的问题。为进一步增加所能表征的光子信息，需要使用大规模的的纳米线单光子探测器阵列，但使用多个SNSPD组成阵列还存在难度，尤其是如何读取SNSPD阵列，目前还没有特别有效的方法。SNSPD的输出信号为非对称的脉冲，信号需要被放大后才能被读出电路鉴别。这就要求要么在低温下对SNSPD阵列中每一个像元的输出进行放大，要么将每一个像元的输出通过同轴线引出至外部读出电路。但是，常规的半导体放大器内部的载流子在低温下不发生迁移，失去了放大作用，本身的功耗又会提高环境温度，因此，在低温下使用已有的半导体射频放大器读出SNSPD阵列不可行。另外，使用多跟同轴线将SNSPD阵列中每一个像元的输出连接至室温电路也不可行，这是因为，过多的同轴线会从室温引入大量热量至冷却机内部，从而提高探测器的工作温度，且过密的同轴线排布造成制作工艺的难度增加，易相互间产生串扰，降低超导纳米线的探测灵敏度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种高速超导光子相机，能够直接捕捉到物体表面反射或直接发射的光学信息，还原出物体特有的光学分辨信息，实现目标的距离和位置的辨识。

为解决上述技术问题，本发明提供一种高速超导光子相机，包括：多个串联排列的单像元，单像元之间用超导延迟线相互连接成为一行，多行共面排列形成阵列排布；超导纳米线和延迟线交叠串联排列构成线阵列或面阵成像单元，多个这样的像单元构成了共焦面的大阵列相机感光面。