[发明专利]一种基于电容反馈的超导单光子成像电路及方法

说明书

本发明公开了一种基于电容反馈的超导单光子成像电路及方法，采用透镜和光纤作为光学对位系统，将外界待测光汇聚到超导纳米线单光子探测器(简称SNSPD)光敏区域；采用阵列超导纳米线单光子探测器作为光电转换器，探测光信号并转换成电信号；采用基于电容反馈跨阻放大器(简称CTIA)的成像电路，对阵列SNSPD各像元响应的电信号分别进行积分，得到响应的积分电压，最后根据阵列SNSPD各像元不同的积分电压值得到一幅灰度图像。

技术领域

本发明属于超导纳米光探测技术领域，具体为一种基于电容反馈的超导单光子成像电路及方法。

背景技术

超导纳米线单光子探测器(简称SNSPD)是一种新型的单光子探测器，具有高探测效率、低暗计数、低时间抖动、宽响应光谱等优点，在卫星测距、深空通信、生物成像、激光雷达等领域中有着重要的应用。SNSPD的感光部分为使用超导薄膜材料制成的纳米线蜿蜒结构。SNSPD工作时被置于极低温度(百mK～几K)下，其处于超导态(0电阻态)，同时被施加稍低于其超导临界电流(I_C)的电流I_B。当SNSPD未探测到光子时，电流I_B经纳米线直接泄放到地。当SNSPD探测到光子时，超导库珀对被打散成为准粒子，在纳米线局部区域形成热岛，并扩散形成一整段电阻区域阻止电流传输，该过程中纳米线上的电流I_D由I_B减小到0；通过纳米线和衬底散热，温度较高的电阻区域逐渐缩小最终消失，该过程中I_D由0逐渐增大到I_B。

目前的阵列SNSPD包括2×2的4像元器件、4×4的16像元器件、32×32的1024像元器件等等，随着探测器的像元数增加，信号的读出便成为难题。传统的直接读出电路结构简单，但随着SNSPD像元数增加，电路体积较大并且功耗较高，因此不适用于大阵列器件。现有的行列读出电路已经被用于大阵列SNSPD的读出，但其对于双光子同时到达的情况会产生歧义，从而限制阵列的最大计数率，此外光子响应时电流再分配会使输出信号变小。

电容反馈跨阻放大器结构读出电路在铟镓砷64×64像元红外探测器、GaN基640×8像元紫外探测器、Nb₅N₆太赫兹探测器等阵列光电探测器均有应用。CTIA电路能够对μA、nA量级电流信号做积分，其优点是噪声低且积分线性度好。

发明内容

发明目的：为解决目前针对大阵列SNSPD的信号读出电路存在的缺陷，本发明提出了一种基于电容反馈的超导单光子成像电路及方法。

技术方案：一种基于电容反馈的超导单光子成像电路，包括图像模块和N个单元CTIA电路；阵列超导纳米线单光子探测器上的每个像元分别与单元CTIA电路直连，所述单元CTIA电路将与其相连的像元的输出脉冲电流作为其输入电流；

每个所述的单元CTIA电路均包括反馈电容，所述反馈电容用于对单元CTIA电路的输入电流进行积分，得到输出电压值，表示为Vout＝Vref-Q/Cf；式中，Q为单元CTIA电路输入电流的电荷量，Vref为单元CTIA电路的参考电压，Cf为反馈电容容值；

所述图像模块，用于根据N个单元CTIA电路的输出电压，得到一幅对应的灰度图像。

进一步的，每个所述的单元CTIA电路还包括一运算放大器，所述运算放大器的负输入端输入待积分的电流，运算放大器的正输入端输入参考电压；且反馈电容的一端与运算放大器的负输入端连接，反馈电容的另一端与运算放大器的输出端连接。

进一步的，所述单元CTIA电路积分增益的大小由反馈电容决定。

进一步的，每个所述的单元CTIA电路还包括一开关，所述开关与反馈电容并联，当开关打开时，单元CTIA电路处于工作状态，对单元CTIA电路的输入电流进行积分；当开关闭合时，单元CTIA电路处于复位状态。