阅读说明：本技术 具有渐变传输线的超导纳米线单光子探测系统 (Superconducting nanowire single photon detection system with gradient transmission line ) 是由 李�浩 胡鹏 尤立星 王镇 于 2019-11-08 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种具有渐变传输线的超导纳米线单光子探测系统,包括：超导纳米线单光子探测器；渐变传输线,一端与超导纳米线单光子探测器相连接；高通滤波器,一端与渐变传输线连接于超导纳米线单光子探测器的一端相连接,另一端接地；三端口器件,三端口器件的第一端口与渐变传输线远离所述超导纳米线单光子探测器及高通滤波器的一端相连接；电流源,一端与三端口器件的第二端口相连接；放大器,放大器的输入端与三端口器件的第三端口相连接,放大器的接地端接地；超导纳米线单光子探测器、渐变传输线及高通滤波器集成于同一芯片上。本发明可以实现高频信号的放大,降低时间抖动及提高计数率等超导纳米线单光子探测器的整体性能。(The invention provides a superconducting nanowire single photon detection system with a gradient transmission line, which comprises: a superconducting nanowire single photon detector; one end of the gradient transmission line is connected with the superconducting nanowire single-photon detector; one end of the high-pass filter is connected with one end of the superconducting nanowire single-photon detector, which is connected with the gradual change transmission line, and the other end of the high-pass filter is grounded; the first port of the three-port device is connected with one end, far away from the superconducting nanowire single-photon detector and the high-pass filter, of the gradual change transmission line; one end of the current source is connected with the second port of the three-port device; the input end of the amplifier is connected with the third port of the three-port device, and the grounding end of the amplifier is grounded; the superconducting nanowire single-photon detector, the gradient transmission line and the high-pass filter are integrated on the same chip. The invention can realize the amplification of high-frequency signals, reduce time jitter and improve the overall performance of the superconducting nanowire single-photon detector such as counting rate.)

具有渐变传输线的超导纳米线单光子探测系统

技术领域

本发明属于光探测技术领域，特别是涉及一种具有渐变传输线的超导纳米线单光子探测系统。

背景技术

超导纳米线单光子探测器(Superconducting nanowire single photondetector:SNSPD)是近十几年发展起来的新型单光子探测技术，其相对于半导体探测器的最大的优势就是其超高的探测效率、快速响应速度、几乎可以忽略的暗计数以及极低的时间抖动，且光谱响应范围可覆盖可见光至红外波段。2001年，莫斯科师范大学Gol’tsman小组首先利用5nm厚的NbN超薄薄膜制备了一条200nm宽的超导纳米线，成功实现了可见光到近红外波段的单光子探测，开启了超导纳米线单光子探测器的先河。此后，欧、美、俄、日、中等多个国家和研究小组纷纷开展了对SNSPD的研究。经过十余年的发展，SNSPD在1.55μm波长的探测效率从开始的不足1％已经提升到90％，远超过半导体SPD的探测效率。除此之外，其在暗计数、低时间抖动、高计数率等方面的优异性能已经在众多应用领域得到了验证。因此，在近红外波段附近具有优良性能表现的SNSPD无疑为激光雷达、量子信息等应用提供了很好的工具。

目前SNSPD已成为超导电子学和单光子探测领域的研究热点，并有力的推动了量子信息、激光雷达等领域科技发展。国际上SNSPD领域研究著名机构包括，美国的MIT、JPL、NIST、日本的NICT、俄罗斯的MSPU等。目前光纤通信波段1550nm，探测效率最高的器件为美国NIST采用极低温超导材料WSi(工作温度<1K)研发，探测效率高达93％，而采用低温超导材料NbN(工作温度>2K)研发的SNSPD最高探测效率也达到了90％以上。除科研机构外，国际上目前已有6家主要从事SNSPD相关技术产品的公司。

随着SNSPD技术发展，近年来，人们在追求高效率的同时也在追求低时间抖动，高计数率等整体性能的一致提升。一方面体现在研究人员对优异整体性能器件的不断探索，另一方面在激光测距成像等应用上对具备高效率、低抖动及高计数器件的应用需求正越来越迫切。然而，现有的超导纳米线单光子探测系统很难实现同时兼备高效率、极低时间抖动、高计数及实用化等综合优异性能的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种具有渐变传输线的超导纳米线单光子探测系统，用于解决现有技术中的超导纳米线单光子探测系统存在的时间抖动较高及计数率低等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种具有渐变传输线的超导纳米线单光子探测系统，所述具有渐变传输线的超导纳米线单光子探测系统包括：

超导纳米线单光子探测器；

渐变传输线，一端与所述超导纳米线单光子探测器相连接；

高通滤波器，一端与所述渐变传输线连接于所述超导纳米线单光子探测器的一端相连接，另一端接地；

三端口器件，包括第一端口、第二端口及第三端口，所述三端口器件的第一端口与所述渐变传输线远离所述超导纳米线单光子探测器及所述高通滤波器的一端相连接；

电流源，一端与所述三端口器件的第二端口相连接；

放大器，包括输入端、输出端及接地端；所述放大器的输入端与所述三端口器件的第三端口相连接，所述放大器的接地端接地；

其中，所述超导纳米线单光子探测器、所述渐变传输线及所述高通滤波器集成于同一芯片上。

可选地，所述超导纳米线单光子探测器的等效电路包括：

等效动态电感，一端与所述渐变传输线相连接；

等效电阻，一端与所述等效动态电感远离所述渐变传输线的一端相连接，另一端接地；

开关，一端与所述等效动态电感远离所述渐变传输线的一端相连接，另一端接地。

可选地，所述高通滤波器包括：

滤波电阻，一端与所述渐变传输线的一端相连接；

滤波电感，一端与所述滤波电阻远离所述渐变传输线的一端相连接，另一端接地。

可选地，所述三端口器件包括：

端口电感，一端与所述电流源相连接，另一端与所述渐变传输线远离所述超导纳米线单光子探测器及所述高通滤波器的一端相连接；

端口电容，一端与所述渐变传输线远离所述超导纳米线单光子探测器及所述高通滤波器的一端相连接，另一端与所述放大器的输入端相连接。

可选地，所述放大器包括：

放大器电容，一端与所述三端口器件的第三端口相连接；

放大器电阻，一端与所述放大器电容远离所述三端口器件的一端相连接，另一端接地。

可选地，所述具有渐变传输线的超导纳米线单光子探测系统还包括：

第一同轴电缆，一端与所述渐变传输线远离所述超导纳米线单光子探测器及所述高通滤波器的一端相连接；

第二同轴电缆，一端与所述第一同轴电缆远离所述渐变传输线的一端相连接，另一端与所述三端口器件的第一端口相连接；

第三同轴电缆，一端与所述三端口器件的第三端口相连接，另一端与所述放大器的输入端相连接。

可选地，所述渐变传输线的宽度自与所述超导纳米线单光子探测器相连接的一端至与所述三端口器件的第一端口相连接的一端逐渐增大。

可选地，所述渐变传输线的阻抗满足Klopfenstein profile渐变特性阻抗关系，以实现所述超导纳米线单光子探测器与至少包括所述三端口器件及所述放大器的***读出电路的阻抗匹配。

可选地，所述渐变传输线包括多节依次连接的渐变线，各节所述渐变线的宽度由各节所述渐变线的特征阻抗决定，各节所述渐变线的特征阻抗由所述超导纳米线单光子探测器中超导纳米线的材料决定。

如上所述，本发明的具有渐变传输线的超导纳米线单光子探测系统，具有以下有益效果：本发明的具有渐变传输线的超导纳米线单光子探测系统通过在同一芯片上集成超导纳米线单光子探测器及渐变传输线，可以实现超导纳米线单光子探测器与***读出电路之间的阻抗匹配，实现高频信号的放大，大大降低了时间抖动；通过在同一芯片上集成超导纳米线单光子探测器及高通滤波器，可以将低频信号整形去掉，从而提高计数率，大大提高超导纳米线单光子探测器的整体性能。

附图说明

图1显示为本发明提供的具有渐变传输线的超导纳米线单光子探测系统的电路图。

元件标号说明

10 超导纳米线单光子探测器

11 渐变传输线

12 高通滤波器

13 三端口器件

14 电流源

15 放大器

16 芯片

17 第一同轴电缆

18 第二同轴电缆

19 第三同轴电缆

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

请参照图1，本发明提供一种具有渐变传输线的超导纳米线单光子探测系统。所述具有渐变传输线的超导纳米线单光子探测系统包括：超导纳米线单光子探测器10；渐变传输线11，所述渐变传输线11一端与所述超导纳米线单光子探测器10相连接；高通滤波器12，所述高通滤波器12一端与所述渐变传输线11连接于所述超导纳米线单光子探测器10的一端相连接，所述高通滤波器12另一端接地；三端口器件13，所述三端口器件13包括第一端口、第二端口及第三端口，所述三端口器件13的第一端口与所述渐变传输线11远离所述超导纳米线单光子探测器10及所述高通滤波器12的一端相连接；电流源14，所述电流源14一端与所述三端口器件13的第二端口相连接；放大器15，所述放大器15包括输入端、输出端及接地端；所述放大器15的输入端与所述三端口器件14的第三端口相连接，所述放大器15的接地端接地；其中，所述超导纳米线单光子探测器10、所述渐变传输线11及所述高通滤波器12集成于同一芯片16上。本发明的具有渐变传输线的超导纳米线单光子探测系统通过在同一所述芯片16上集成所述超导纳米线单光子探测器10及所述渐变传输线11，可以实现所述超导纳米线单光子探测器10与***读出电路(包括所述三端口器件13，及所述放大器15)之间的阻抗匹配，实现高频信号的放大，大大降低了时间抖动；通过在同一所述芯片16上集成所述超导纳米线单光子探测器10及所述高通滤波器12，实现低频信号走地，高频信号匹配读出，可以将低频信号整形去掉，从而提高计数率，大大提高所述超导纳米线单光子探测器10的整体性能。

作为示例，所述超导纳米线单光子探测器10可以为现有的任意一种超导纳米线单光子探测器，其具体结构此处不做限定。

作为示例，所述超导纳米线单光子探测器10的等效电路可以包括：等效动态电感L1，所述等效电感L1一端与所述渐变传输线11相连接；等效电阻R1，所述等效电阻R1一端与所述等效动态电感L1远离所述渐变传输线11的一端相连接，所述等效电阻R1另一端接地；开关K，所述开关K一端与所述等效动态电感L1远离所述渐变传输线11的一端相连接，所述开关K另一端接地。由于所述超导纳米线单光子探测器10正常工作处在超导区，当一个光子出现会使得所述超导纳米线单光子探测器10中的超导纳米线变成有阻区，这种超导区域有阻区的跳变可以使用所述等效电阻R1及所述开关K并联的结构来表示；同时，所述超导纳米线为超薄超窄结构，且其产生的读出信号为射频信号，因此其存在的等效动态电感L1是不可忽略的，故所述超导纳米线单光子探测器10的等效电路可以如上所述。

作为示例，所述高通滤波器12可以包括：滤波电阻R2，所述滤波电阻R2一端与所述渐变传输线11的一端相连接；滤波电感L2，所述滤波电感L2一端与所述滤波电阻R2远离所述渐变传输线11的一端相连接，所述滤波电感L2另一端接地。所述高通滤波器12用于将所述超导纳米线产生的读出信号中的低频信号整形去掉，即对所述读出信号进行类似方波整形，从而提高计数率。

作为示例，所述三端口器件13可以包括：端口电感L3，所述端口电感L3一端与所述电流源14相连接，所述端口电感L3另一端与所述渐变传输线11远离所述超导纳米线单光子探测器10及所述高通滤波器12的一端相连接；端口电容C1，所述端口电容C1一端与所述渐变传输线11远离所述超导纳米线单光子探测器10及所述高通滤波器12的一端相连接，所述端口电容C1另一端与所述放大器15的输入端相连接；所述端口电感L3及所述端口电容C1与所述渐变传输线11远离所述超导纳米线单光子探测器10及所述高通滤波器12的一端相连接的一端即为所述三端口器件13的第一端口，所述端口电感L3与所述电流源14相连接的一端即为所述三端口器件13的第二端口；所述端口电容C1与所述放大器15相连接的一端即为所述三端口器件13的第三端口。

作为示例，所述三端口器件13的第一端口即可允许直流信号通过，也允许射频信号通过；所述三端口器件13的第二端口仅允许直流信号通过，所述三端口器件13的第三端口仅允许射频信号通过。所述电流源14经由所述三端口器件13的第二端口将偏置电流施加于所述超导纳米线单光子探测器10中的超导纳米线上，所述超导纳米线产生的射频信号经所述渐变传输线11及所述高通滤波器12处理后经由所述三端口器件13的第一端口及第三端口输出至所述放大器15。

作为示例，所述放大器15可以包括：放大器电容C2，所述放大器电容C2一端与所述三端口器件13的第三端口相连接；放大器电阻R3，所述放大器电阻R3一端与所述放大器电容C2远离所述三端口器件13的一端相连接，所述放大器电容C2另一端接地。所述放大器15用于将所述三端口器件13输出的射频信号由1mV左右放大至百毫伏量级以便于读出。

作为示例，所述具有渐变传输线的超导纳米线单光子探测系统还可以包括：第一同轴电缆17，所述第一同轴电缆17一端与所述渐变传输线11远离所述超导纳米线单光子探测器10及所述高通滤波器12的一端相连接；第二同轴电缆18，所述第二同轴电缆18一端与所述第一同轴电缆17远离所述渐变传输线11的一端相连接，所述第二同轴电缆18另一端与所述三端口器件13的第一端口相连接；第三同轴电缆19，所述第三同轴电缆19一端与所述三端口器件13的第三端口相连接，所述第三同轴电缆19另一端与所述放大器15的输入端相连接。

具体的，由于所述放大器15优选为做了标准的50欧姆阻抗匹配的放大器，故本实施例中，所述第一同轴电缆17、所述第二同轴电缆18及所述第三同轴电缆19均优选为50欧姆阻抗匹配的同轴电缆。

需要说明的是，所述具有渐变传输线的超导纳米线单光子探测系统包括所述第一同轴电缆17、所述第二同轴电缆18及所述第三同轴电缆19时，所述***读出电路还包括所述第一同轴电缆17、所述第二同轴电缆18及所述第三同轴电缆19。

作为示例，所述渐变传输线11的宽度自与所述超导纳米线单光子探测器10相连接的一端至与所述三端口器件13的第一端口相连接的一端逐渐增大。

作为示例，所述渐变传输线11可以包括多节依次连接的渐变线。

具体的，由于所述超导纳米线本身为高阻抗，而所述***读出电路为50欧姆的阻抗匹配，故所述渐变传输线11的目的为从所述超导纳米线的高阻抗一节一节地渐变成50欧姆阻抗，从而实现所述超导纳米线单光子探测器10与所述***读出电路的阻抗匹配。

更为具体的，所述渐变传输线11的阻抗满足Klopfenstein profile渐变特性阻抗关系，以实现所述超导纳米线单光子探测器10与包括所述第一同轴电缆17、所述第二同轴电缆18、所述第三同轴电缆19、所述三端口器件13及所述放大器15的***读出电路的阻抗匹配。

需要说明的是，Klopfenstein profile渐变特性阻抗关系为基于所述渐变传输线11的初始特征阻抗(即所述渐变传输线11与所述超导纳米线单光子探测器10相连接的一端的特征阻抗)及所述渐变传输线11的终了特征阻抗(即所述渐变传输线11与所述第一同轴电缆17相连接的一端的特征阻抗)得到各节所述渐变线对应的特征阻抗。

作为示例，各节所述渐变线的宽度由各节所述渐变线的特征阻抗，各节所述渐变线的特征阻抗由所述超导纳米线单光子探测器中超导纳米线的材料等参数决定；具体的，通过Sonnet软件导入所述渐变传输线11(不同的所述超导纳米线有着不同的方块电感等参数)，改变所述渐变线的宽度得到不同宽度下对应的特征阻抗，并拟合得到特征阻抗随渐变线宽度变化的函数；将特征阻抗输入到所述函数内，即可求解得到每节特征阻抗对应的渐变线的宽度。

综上所述，本发明提供一种具有渐变传输线的超导纳米线单光子探测系统，所述具有渐变传输线的超导纳米线单光子探测系统包括：超导纳米线单光子探测器；渐变传输线，一端与所述超导纳米线单光子探测器相连接；高通滤波器，一端与所述渐变传输线连接于所述超导纳米线单光子探测器的一端相连接，另一端接地；三端口器件，包括第一端口、第二端口及第三端口，所述三端口器件的第一端口与所述渐变传输线远离所述超导纳米线单光子探测器及所述高通滤波器的一端相连接；电流源，一端与所述三端口器件的第二端口相连接；放大器，包括输入端、输出端及接地端；所述放大器的输入端与所述三端口器件的第三端口相连接，所述放大器的接地端接地；其中，所述超导纳米线单光子探测器、所述渐变传输线及所述高通滤波器集成于同一芯片上。本发明的具有渐变传输线的超导纳米线单光子探测系统通过在同一芯片上集成超导纳米线单光子探测器及渐变传输线，可以实现超导纳米线单光子探测器与***读出电路之间的阻抗匹配，实现高频信号的放大，大大降低了时间抖动；通过在同一芯片上集成超导纳米线单光子探测器及高通滤波器，可以将低频信号整形去掉，从而提高计数率，大大提高超导纳米线单光子探测器的整体性能。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。