專利名稱：一種提高snspd系統(tǒng)抗電干擾能力的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光探測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種提高SNSro系統(tǒng)抗電干擾能力的方法及裝置。
背景技術(shù)：
超導(dǎo)納米線單光子探測器(SuperconductingNanowire Single PhotonDetector, SNSPD)是一種重要的光探測器，可以實(shí)現(xiàn)從可見光到紅外波段的單光子探測。SNSPD主要采用低溫超導(dǎo)超薄薄膜材料，比如NbN、Nb、NbTiN等。典型厚度約為5nm，器件通常采用IOOnm左右寬度的曲折納米線結(jié)構(gòu)。SNSF1D工作時(shí)置于低溫環(huán)境中(< 4K),器件處于超導(dǎo)態(tài),并加以一定的偏置電流Ib, Ib略小于器件臨界電流I。。當(dāng)單個(gè)光子入射到器件中的納米線條上時(shí)，會(huì)拆散庫珀對(duì)，形成大量的熱電子，從而形成局域熱點(diǎn)，熱點(diǎn)在偏置電流Ib的作用下由于焦耳熱進(jìn)行擴(kuò)散，最終使得納米線條局部失超形成有阻區(qū)。之后熱電子能量通過電聲子相互作用傳遞并弛豫，再重新配對(duì)成超導(dǎo)態(tài)的庫珀對(duì)。由于超導(dǎo)材料的熱弛豫時(shí)間很短，因此當(dāng)SNSH)接收到單個(gè)光子后，就會(huì)在器件兩端產(chǎn)生一個(gè)快速的電脈沖信號(hào)。

如圖1所示，SNSro系統(tǒng)通常由制冷模塊，光耦合模塊及電子學(xué)模塊構(gòu)成。制冷模塊一般使用制冷機(jī)制冷或液氦杜瓦，使得器件能工作在恒定的低溫下。光耦合模塊通過光纖將傳輸?shù)墓庑盘?hào)以最小的衰減引入到器件上。電子學(xué)模塊主要包括器件電偏置和脈沖響應(yīng)信號(hào)放大。隔離電壓源輸出恒定電壓，通過限流電阻后，通過偏置樹向器件提供恒定偏置電流。響應(yīng)信號(hào)讀取與放大模塊主要包括偏置樹(Bias-Tee)和低噪聲放大器，偏置樹(Bias-Tee)用來分離直流偏置與高頻響應(yīng)信號(hào)；低噪聲放大器用來放大響應(yīng)脈沖信號(hào)。器件的臨界電流I。通常在微安量級(jí)(一般在10 50uA)，而且器件的工作點(diǎn)偏置電流一般選取Ib ^ 0.951。。電路噪聲及外界的電干擾(電場耦合以及工頻電網(wǎng)引入的“浪涌”電壓，比如空調(diào)和日光燈的開啟與關(guān)閉)引入的噪聲I AIb|很容易導(dǎo)致器件上的實(shí)際工作電流Γ b=Ib+| AlJ > I。，從而導(dǎo)致器件失超形成有阻區(qū)，并使有阻區(qū)的焦耳熱超過其熱弛豫能力，致使器件無法回復(fù)到超導(dǎo)態(tài)，我們稱這種跳變進(jìn)入有阻態(tài)的過程為“l(fā)atch”。一旦進(jìn)入有阻態(tài)，器件將無法對(duì)入射光子做出響應(yīng)。這時(shí)，器件需要重新復(fù)位才能夠使用。適當(dāng)降低Ib能減小因電干擾而產(chǎn)生“l(fā)atch”的概率，但是這樣會(huì)降低器件的量子效率。因此，如何減小電干擾的影響，避免“l(fā)atch”發(fā)生對(duì)于提升SNSH)系統(tǒng)工作穩(wěn)定性非常重要。Fujiwara 等人在 “M.Fujiwara et al, Opt.Expressl9 (20)，19562 (2011) ” 中提出采用在偏置樹(Bias-Tee) DC&RF端與器件負(fù)極并聯(lián)50 Ω電阻(波阻抗為50 Ω)來避免“l(fā)atch”。這種方法可以達(dá)到抗電干擾的效果，但是會(huì)降低響應(yīng)脈沖幅度(減小到約70% )，減小信噪比；而且阻抗匹配不好時(shí)，電脈沖信號(hào)會(huì)出現(xiàn)一定的反射信號(hào)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響最終的信號(hào)甄別
發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種提高SNSro系統(tǒng)抗電干擾能力的方法及裝置，該方法和裝置可以在避免發(fā)生“l(fā)atch”的同時(shí)保證探測系統(tǒng)的響應(yīng)脈沖幅度。為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種提高SNSro系統(tǒng)抗電干擾能力的方法及裝置。一種提高SNSro系統(tǒng)抗電干擾能力的方法，所述SNSro系統(tǒng)包括SNSro器件和偏置樹；所述偏置樹具有DC端口、DC&RF端口、RF端口 ；所述偏置樹的DC&RF端口與SNSH)器件的一端相連，SNSPD器件的另一端接地；所述提高SNSH)系統(tǒng)抗電干擾能力的方法為:在所述DC端口與SNSH)器件的接地端之間連接一電阻。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述SNSro系統(tǒng)還包括隔離電壓源、限流電阻、放大器；所述隔離電壓源的正極與限流電阻的一端相連，限流電阻的另一端與所述偏置樹的DC端口相連；所述偏置樹的RF端口與放大器相連；所述偏置樹的DC&RF端口與SNSH)器件的一端相連，SNSPD器件的另一端接地；所述隔離電壓源的負(fù)極接地。
toon] 一種提高SNSro系統(tǒng)抗電干擾能力的裝置，所述提高SNSro系統(tǒng)抗電干擾能力的裝置包括SNSro器件和偏置樹；所述偏置樹具有DC端口、DC&RF端口、RF端口 ；所述偏置樹的DC&RF端口與SNSH)器件的一端相連，SNSPD器件的另一端接地；所述DC端口與SNSPD器件的接地端之間連接一電阻。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述SNSro系統(tǒng)還包括隔離電壓源、限流電阻、放大器；所述隔離電壓源的正極與限流電阻的一端相連，限流電阻的另一端與所述偏置樹的DC端口相連；所述偏置樹的RF端口與放大器相連；所述偏置樹的DC&RF端口與SNSro器件的一端相連，SNSPD器件的另一端接地；所述隔離電壓源的負(fù)極接地。如上所述，本發(fā)明所述的提高SNSro系統(tǒng)抗電干擾能力的方法及裝置，具有以下有益效果:I)操作簡單，不改變器件結(jié)構(gòu)，不需要增加濾波電路或屏蔽，僅需并聯(lián)適當(dāng)阻值的電阻就能提高系統(tǒng)抗電干擾能力，成本幾乎可以考慮不計(jì)；2)不改變探測電脈沖信號(hào)的形狀、幅度與寬度；3)接在偏置樹(Bias-Tee)的直流端，與高頻信號(hào)分離，不會(huì)因波阻抗匹配不好形成反射從而影響器件性能；4)不影響探測系統(tǒng)的暗計(jì)數(shù)率(dark count rate)及量子效率(QuantumEfficiency)。


圖1為現(xiàn)有的SNSro系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明所述的提高SNSro系統(tǒng)抗電干擾能力的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明所述的提高SNSro系統(tǒng)抗電干擾能力的裝置與現(xiàn)有技術(shù)不并聯(lián)電阻及電阻并聯(lián)位置不同時(shí)對(duì)SNsro器件響應(yīng)波形的影響曲線圖。圖4為本發(fā)明所述的提高SNSro系統(tǒng)抗電干擾能力的裝置及現(xiàn)有技術(shù)不并聯(lián)電阻及電阻并聯(lián)位置不同時(shí)對(duì)SNSro器件Rd。的影響曲線圖。圖5為本發(fā)明所述的提高SNSro系統(tǒng)抗電干擾能力的裝置及現(xiàn)有技術(shù)不并聯(lián)電阻及電阻并聯(lián)位置不同時(shí)對(duì)SNsro器件QE的影響曲線圖。
具體實(shí)施例方式以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實(shí)施方式
加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。請(qǐng)參閱附圖。需要說明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。本發(fā)明的目的是實(shí)現(xiàn)一種提高超導(dǎo)單光子探測系統(tǒng)抗電干擾能力的方法。具體的說，本發(fā)明是通過并聯(lián)適當(dāng)阻值的電阻RO起到以下兩方面的作用:1、減小電場耦合造成的噪聲；2、在電網(wǎng)“浪涌”電干擾導(dǎo)致器件失超瞬間進(jìn)行分流，使得器件能快速回到超導(dǎo)態(tài)，減小焦耳熱進(jìn)而避免發(fā)生“ latch”。本發(fā)明綜合以上兩方面來提高器件的抗電干擾能力。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)說明。實(shí)施例一本實(shí)施例提供一種提高SNSH)系統(tǒng)抗電干擾能力的方法，參見圖2，所述SNSH)系統(tǒng)包括制冷機(jī)、光耦合模塊、SNSPD器件和偏置模塊等；所述偏置模塊中主要包括隔離電壓源、偏置樹、放大器等；所述偏置樹具有DC端口、DC&RF端口、RF端口 ；所述偏置樹的DC&RF端口與SNSH)器件的一端相連，SNSPD器件的另一端接地；所述提高SNSH)系統(tǒng)抗電干擾能力的方法為:在所述DC端口與SN SH)器件的接地端之間連接一電阻。本發(fā)明基于現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，在原偏置模塊的偏置樹(Bias-Tee DC)端并聯(lián)電阻R0，RO的阻值可根據(jù)實(shí)際器件選取，例如可選取50 Ω。該電阻的阻值選取過程可以參考以下過程:1、利用開關(guān)日光燈或空調(diào)模擬產(chǎn)生“浪涌電壓”電干擾信號(hào)(典型幅值為0.3 IV)；2、調(diào)整電壓源輸出電壓，使得器件上電流Λ Ξ 0.954 ;用示波器觀察放大器輸出波形；開關(guān)日光燈，觀察開關(guān)瞬間波形變化，重復(fù)數(shù)次；3、若波形不消失，則阻值合適；若波形消失，則減小阻值，重復(fù)步驟2，直到開光日光燈時(shí)波形不消失為止。本發(fā)明利用RO的兩個(gè)作用:1、減小電場的耦合噪聲；2、在工頻電網(wǎng)“浪涌”脈沖干擾瞬間進(jìn)行分流來提高器件的抗電干擾能力，避免器件“l(fā)atch”來提高器件的抗電干擾能力。所述SNSro系統(tǒng)還包括隔離電壓源、限流電阻、放大器；所述隔離電壓源的正極與限流電阻的一端相連，限流電阻的另一端與所述偏置樹的DC端口相連；所述偏置樹的RF端口與放大器相連；所述偏置樹的DC&RF端口與SNSH)器件的一端相連，SNSPD器件的另一端接地；所述隔離電壓源的負(fù)極接地。本實(shí)施例中，所述SNsro系統(tǒng)可以包括上述結(jié)構(gòu)，但不限于上述結(jié)構(gòu)，也可有其他形式的變形。
但凡利用在偏置樹的DC端口連接電阻實(shí)現(xiàn)提高SNSH)系統(tǒng)抗電干擾能力的方法，都包括在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。實(shí)施例二本實(shí)施例提供一種提高SNSH)系統(tǒng)抗電干擾能力的裝置，參見圖2，所述SNSH)系統(tǒng)包括制冷機(jī)、光耦合模塊、SNSPD器件和偏置模塊等；所述偏置模塊中主要包括隔離電壓源、偏置樹、放大器等；所述偏置樹具有DC端口、DC&RF端口、RF端口 ；所述偏置樹的DC&RF端口與SNSH)器件的一端相連，SNSPD器件的另一端接地；所述DC端口與SNSH)器件的接地端之間連接一電阻。所述SNSro系統(tǒng)還包括隔離電壓源、限流電阻、放大器；所述隔離電壓源的正極與限流電阻的一端相連，限流電阻的另一端與所述偏置樹的DC端口相連；所述偏置樹的RF端口與放大器相連；所述偏置樹的DC&RF端口與SNSH)器件的一端相連，SNSPD器件的另一端接地；所述隔離電壓源的負(fù)極接地。本實(shí)施例中，所述SNsro系統(tǒng)可以包括上述結(jié)構(gòu)，但不限于上述結(jié)構(gòu)，也可有其他形式的變形。對(duì)本發(fā)明所述的提高SNSro系統(tǒng)抗電干擾能力的裝置(參見圖2)進(jìn)行如下性能測試:1、并聯(lián)50 Ω電阻對(duì)器件響應(yīng)波形的影響。在A處并聯(lián)50Ω電阻與不并電阻相比，脈沖幅度及形狀都無明顯變化。而在A’處并聯(lián)50 Ω電阻會(huì)明顯降低脈沖幅度，約為原來的0.7倍，而且還會(huì)產(chǎn)生如圖3所示的反射峰。2、并聯(lián)50 Ω電阻對(duì)器件Rdc的影響。在A’處并聯(lián)50 Ω電阻時(shí)，Rd。在Ib/I。較大時(shí)暗計(jì)數(shù)率與不并電阻時(shí)相比略微增大；而在A端并聯(lián)50 Ω時(shí)，Rdc與不并電阻時(shí)相比基本無變化，參見圖4。3、并聯(lián)50 Ω電阻對(duì)器件QE的影響。參見圖5，兩處并聯(lián)位置A與A’處均對(duì)器件的QE無明顯影響。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是:I)操作簡單，不改變器件結(jié)構(gòu)，不需要增加濾波電路或屏蔽，僅需并聯(lián)適當(dāng)阻值的電阻就能提高系統(tǒng)抗電干擾能力，成本幾乎可以考慮不計(jì)；2)不改變探測電脈沖信號(hào)的形狀、幅度與寬度；3)接在偏置樹(Bias-Tee)的直流端，與高頻信號(hào)分離，不會(huì)因波阻抗匹配不好形成反射從而影響器件性能；4)不影響探測系統(tǒng)的暗計(jì)數(shù)率(dark count rate, Rdc)及量子效率(QuantumEfficiency, QE)。傳統(tǒng)的SNSro系統(tǒng)在特定的工作偏置電流下經(jīng)常會(huì)因?yàn)橥饨绲碾娫肼?比如日光燈和空調(diào)的開關(guān))而跳變進(jìn)入有阻態(tài)。本發(fā)明采用在偏置樹的直流端(即DC端)并聯(lián)一個(gè)電阻的方式有效的減小外界的電噪聲對(duì)SNsro工作的干擾，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定工作的SNSro系統(tǒng)，與此同時(shí)并不減小器件的響應(yīng)信號(hào)幅度和量子效率，并保持相同的暗計(jì)數(shù)水平。所以，本發(fā)明 有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍 應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種提高SNSro系統(tǒng)抗電干擾能力的方法，所述SNSro系統(tǒng)包括SNSro器件和偏置樹；所述偏置樹具有DC端口、DC&RF端口、RF端口 ；所述偏置樹的DC&RF端口與SNSH)器件的一端相連，SNSPD器件的另一端接地；其特征在于，所述提高SNSH)系統(tǒng)抗電干擾能力的方法為:在所述DC端口與SNSH)器件的接地端之間連接一電阻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高SNSro系統(tǒng)抗電干擾能力的方法，其特征在于:所述SNSPD系統(tǒng)還包括隔離電壓源、限流電阻、放大器；所述隔離電壓源的正極與限流電阻的一端相連，限流電阻的另一端與所述偏置樹的DC端口相連；所述偏置樹的RF端口與放大器相連；所述偏置樹的DC&RF端口與SNSH)器件的一端相連，SNSPD器件的另一端接地；所述隔離電壓源的負(fù)極接地。
3.一種提高SNSro系統(tǒng)抗電干擾能力的裝置，其特征在于:所述提高SNSro系統(tǒng)抗電干擾能力的裝置包括SNSro器件和偏置樹；所述偏置樹具有DC端口、DC&RF端口、RF端口；所述偏置樹的DC&RF端口與SNSH)器件的一端相連，SNSPD器件的另一端接地；所述DC端口與SNSH)器件的接地端之間連接一電阻。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的提高SNSro系統(tǒng)抗電干擾能力的裝置，其特征在于:所述SNSPD系統(tǒng)還包括隔離電壓源、限流電阻、放大器；所述隔離電壓源的正極與限流電阻的一端相連，限流電阻的另一端與所述偏置樹的DC端口相連；所述偏置樹的RF端口與放大器相連；所述偏置樹的DC&RF端口與SNSH)器件的一端相連，SNSPD器件的另一端接地；所述隔離電壓源的 負(fù)極接地。
全文摘要
本發(fā)明提供一種提高SNSPD系統(tǒng)抗電干擾能力的方法及裝置，所述SNSPD系統(tǒng)包括SNSPD器件和偏置樹；所述偏置樹具有DC端口、DC&RF端口、RF端口；所述偏置樹的DC&RF端口與SNSPD器件的一端相連，SNSPD器件的另一端接地；所述提高SNSPD系統(tǒng)抗電干擾能力的方法為在所述DC端口與SNSPD器件的接地端之間連接一電阻。本發(fā)明操作簡單，不改變器件結(jié)構(gòu)，不需要增加濾波電路或屏蔽，僅需并聯(lián)適當(dāng)阻值的電阻就能提高系統(tǒng)抗電干擾能力，成本低；不改變探測電脈沖信號(hào)的形狀、幅度與寬度；不會(huì)形成反射脈沖從而影響器件性能；不影響探測系統(tǒng)的暗計(jì)數(shù)率及量子效率。
文檔編號(hào)G01J11/00GK103245424SQ201210024730
公開日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2012年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月3日
發(fā)明者尤立星, 陳思井, 王永良, 劉登寬, 謝曉明, 江綿恒 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所