单光子探测器、脉冲计数系统及方法

1.本发明涉及计数领域，特别是涉及一种单光子探测器、脉冲计数系统及方法。


背景技术：

2.超导纳米线单光子探测器具有高探测效率、低暗计数、高时间分辨率、波长响应范围广等优势，与半导体单光子探测器相比在量子通信、单光子雷达与单光子成像等领域有良好应用前景。然而，在传统直流偏置模式下，受限于器件自身恢复时间与噪声抵消电路，其计数率较低，一般小于10mhz。超导单光子探测器(snspd)传统的偏置方式为直流偏置，当强光照射时，snspd会以较大概率跳变和稳定到有阻态，即闩锁(导致芯片功能的混乱或者电路直接无法工作)，从而限制器件计数率；在弱光照射下，器件也可能会由于周围电环境影响进入闩锁态，由于采用直流偏置，器件无法从闩锁状态自恢复，进而影响器件长期工作稳定性。采用交流偏置，通过周期性的偏置和电流重置可以解决以上两个问题，但是光子响应产生的电信号与偏置噪声混合，会导致输出信号信噪比变差。交流偏置下，为了使交流偏置电流顺利加载到器件上，需要将传统读出电路里的偏置树的电感去除，进而使得偏置信号输入端与响应信号输出端直接相连，导致偏置信号没有与输出信号相隔离，在输出端引入噪声。
3.因此，如何解决单光子探测系统在交流偏置下的脉冲输出信号的信噪比差的问题，已经成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。


技术实现要素：

4.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单光子探测器、脉冲计数系统及方法，用于解决现有技术中单光子探测系统在交流偏置下的脉冲输出信号的信噪比差的问题。
5.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种单光子探测器，所述单光子探测器包括不相交的第一超导纳米线及第二超导纳米线，探测外部光源并产生脉冲信号；其中，所述第一超导纳米线与所述第二超导纳米线的尺寸及电学性能参数相同。
6.可选地，所述第一超导纳米线及所述第二超导纳米线覆盖在光敏面区域，所述第一超导纳米线与所述第二超导纳米线交替设置。
7.更可选地，所述第一超导纳米线及所述第二超导纳米线呈s型间隔排布。
8.可选地，所述第一超导纳米线及所述第二超导纳米线分别覆盖第一光敏面区域及第二光敏面区域。
9.一种脉冲计数系统，包括所述单光子探测器，还包括：信号发生器、噪声抵消电路及计数器；
10.所述信号发生器用于产生第一偏置信号及第二偏置信号；其中，所述第一偏置信号与第二偏置信号为同相交流偏置信号，所述第一偏置信号接所述第一超导纳米线的第一端，所述第二偏置信号接所述第二超导纳米线的第一端；
11.所述噪声抵消电路的第一输入端连接所述第一超导纳米线的第二端，第二输入端连接所述第二超导纳米线的第二端，用于消除噪声；
12.所述计数器连接所述噪声抵消电路的输出端，用于脉冲计数。
13.可选地，所述信号发生器与所述单光子探测器之间采用同轴电缆连接。
14.可选地，所述单光子探测器与所述噪声抵消电路之间采用同轴电缆连接。
15.可选地，所述噪声抵消电路包括：
16.第一低噪声放大器，连接所述第一超导纳米线的第二端，用于放大一路所述脉冲信号；
17.第二低噪声放大器，连接所述第二超导纳米线的第二端，用于放大另外一路所述脉冲信号；
18.调相器，连接所述第二低噪声放大器的输出端，用于调节相位，使得所述第二低噪声放大器输出的信号的波峰与所述第一低噪声放大器输出的信号的波谷对齐、所述第二低噪声放大器输出的信号的波谷与所述第一低噪声放大器输出的信号的波峰对齐；
19.合路器，连接所述第一低噪声放大器的输出端及所述调相器的输出端，用于耦合所述第一低噪声放大器及所述调相器输出的信号，使所述第一低噪声放大器及所述调相器输出的信号中的噪声相互抵消。
20.更可选地，所述第一低噪声放大器及第二低噪声放大器结构及性能相同。
21.一种脉冲计数方法，包括以下步骤：
22.s1：所述单光子探测器基于所述同相交流偏置信号探测外部光源，并产生两路所述脉冲信号；
23.s2：通过所述噪声抵消电路将两路所述脉冲信号自差分耦合，抵消两路所述脉冲信号中的噪声；
24.s3：通过所述计数器进行脉冲计数。
25.如上所述，本发明的单光子探测器、脉冲计数系统及方法，具有以下有益效果：
26.1，本发明的脉冲计数系统及方法中，第一偏置信号及第二偏置信号为幅度相同、频率相同、相位相同的交流偏置信号，通过第一超导纳米线及第二超导纳米线的周期性淬灭，实现了有效地自复位、防闩锁功能。
27.2，本发明的脉冲计数系统及方法中，通过设置调相器，将第二低噪声放大器输出的信号的波峰与第一低噪声放大器输出的信号的波谷对齐、第二低噪声放大器输出的信号的波谷与第一低噪声放大器输出的信号的波峰对齐，采用自差分降噪的方法为输出信号降噪，使得输出脉冲的信噪比得到了有效的提升，从而降低了系统复杂度，提升系统稳定性。
附图说明
28.图1显示为本发明脉冲计数系统结构示意图。
29.图2显示为本发明中单光子探测器的一种结构示意图。
30.图3显示为本发明中单子探测器的另一种结构示意图。
31.元件标号说明
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信号发生器
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单光子探测器
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噪声抵消电路
[0035]
31
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第一低噪声放大器
[0036]
32
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第二低噪声放大器
[0037]
33
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调相器
[0038]
34
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合路器
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计数器
具体实施方式
[0040]
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。
[0041]
请参阅图1-图3。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，遂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型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0042]
实施例一
[0043]
本实施例提供一种单光子探测器2，所述单光子探测器2包括不相交的第一超导纳米线l1及第二超导纳米线l2，探测外部光源并产生脉冲信号；其中，所述第一超导纳米线l1与所述第二超导纳米线l2的尺寸及电学性能参数相同。本发明中将所述第一超导纳米线l1及所述第二超导纳米线l2制作在一个片子上，相比于早期的差分降噪电路使用两个片子封装超导纳米线，提高了两个器件的均一性，简化了封装复杂度。
[0044]
具体地，如图2所示，图中所述第一超导纳米线l1及所述第二超导纳米线l2的位置(包括但不限于横向、竖向、有夹角)和结构(长度、宽度、占用面积)不以图示为限。所述第一超导纳米线l1与所述第二超导纳米线l2的尺寸及电学性能参数相同，所述第一超导纳米线l1及所述第二纳米线l2在同一个器件上进行制备，使得所述第一超导纳米线l1及所述第二超导纳米线l2的尺寸(包括但不限于厚度、长度及宽度)相同，电学性能参数(包括但不限于电导率、击穿电压、介电常数及介质损耗)相近或相同，从而提升第一超导纳米线l1和第二超导纳米线l2的均一性。
[0045]
作为示例，如图2所示，所述第一超导纳米线l1及所述第二超导纳米线l2覆盖在光敏面区域，所述第一超导纳米线l1与所述第二超导纳米线l2交替设置。需要说明的是，图中所述第一超导纳米线l1及所述第二超导纳米线l2以并列排布的方式示出，在实际使用中的设置方式不以本实施例为限。
[0046]
具体地，所述第一超导纳米线l1及所述第二超导纳米线l2呈s型间隔排布，在实际的生产和使用中，所述第一超导纳米线l1及所述第二超导纳米线l2的设置和排布可能更加复杂，不以本实施例为限。
[0047]
作为另一示例，如图3所示，所述第一超导纳米线l1及所述第二超导纳米线l2分别覆盖第一光敏面区域及第二光敏面区域，通过设置不同的覆盖范围可以减小信号之间的干扰，使得系统的稳定性更高。
[0048]
本发明所述的单光子探测器可以适用于差分结构的电路。
[0049]
实施例二
[0050]
本实施例提供一种脉冲计数系统，包括实施例一中所述的单光子探测器，还包括：信号发生器1、噪声抵消电路3及计数器4。
[0051]
如图1所示，所述信号发生器1用于产生第一偏置信号及第二偏置信号；其中，所述第一偏置信号与第二偏置信号为同相交流偏置信号，所述第一偏置信号接所述第一超导纳米线l1的第一端，所述第二偏置信号接所述第二超导纳米线l2的第一端，基于所述第一偏置信号及所述第二偏置信号，所述单光子探测器2用于探测外部光源并产生两路脉冲信号。
[0052]
具体地，所述第一偏置信号与第二偏置信号为幅度相同、频率相同、相位相同的交流偏置信号。所述第一偏置信号及所述第二偏置信号在超导纳米线中周期性淬灭(在荧光过程中，光子产生的数量在很短的时间内衰减或者消失)，实现信号的有效自复位、防闩锁。
[0053]
作为示例，所述信号发生器1与所述单光子探测器2之间采用同轴电缆连接，两条连接线属于同一个电缆连接线中，使用常温同轴电缆连接，提高了所述第一超导纳米线及所述第二超导纳米线之间的均一性，减少了所述噪声抵消电路3中电子元件的个数，从而减少系统中可能的噪声源，降低系统复杂度，提升系统稳定性。
[0054]
作为另一示例，所述单光子探测器2与所述噪声抵消电路3之间采用同轴电缆连接，两条连接线属于同一个电缆连接线中，使用常温同轴电缆连接，提高了所述第一超导纳米线及所述第二超导纳米线之间的均一性，提升了系统的稳定性。
[0055]
如图1所示，所述噪声抵消电路3的第一输入端连接所述第一超导纳米线l1的第二端，第二输入端连接所述第二超导纳米线l2的第二端，用于消除噪声。
[0056]
具体地，所述噪声抵消电路3包括：第一低噪声放大器31、第二低噪声放大器32、调相器33及合路器34。
[0057]
如图1所示，所述第一低噪声放大器31连接所述单光子探测器2中的所述第一超导纳米线的第二端，用于放大一路所述脉冲信号。
[0058]
如图1所示，所述第二低噪声放大器32连接所述单光子探测器2中的所述第二超导纳米线的第二端，用于放大另外一路所述脉冲信号。
[0059]
如图1所示，所述调相器33连接所述第二低噪声放大器32的输出端，用于调节相位，使得所述第二低噪声放大器32输出的信号的波峰与所述第一低噪声放大器31输出的信号的波谷对齐、所述第二低噪声放大器32输出的信号的波谷与所述第一低噪声放大器31输出的信号的波峰对齐。所述调相器33输出的信号和所述第二低噪声放大器32输出的信号的幅度相同、频率相同、相位相反，使得在经过所述合路器34时，能够抵消所述调相器33输出的信号和所述第二低噪声放大器32输出的信号中的噪声，实现自差分降噪。
[0060]
如图1所示，所述合路器34连接所述第一低噪声放大器31的输出端及所述第二低噪声放大器32的输出端，用于耦合所述第一低噪声放大器31及所述调相器33输出的信号，使所述第一低噪声放大器31及所述调相器33输出的信号中的噪声相互抵消，噪声消失，从而得到信噪比高的脉冲响应信号，提升了所述计数器4的计数率，使得所述单光子探测器2可以高速工作。
[0061]
需要说明的是，所述第一低噪声放大器31与所述合路器34的连接与所述第二低噪声放大器32与所述合路器34的连接可以使用同轴电缆连接，由于同轴电缆的电学性能相近
或相同，从而提升系统工作的稳定性。
[0062]
作为示例，所述第一低噪声放大器31及第二低噪声放大器32结构及性能相同，从而使得所述第一低噪声放大器31输出的信号中的噪声与所述第二低噪声放大器32输出的信号中的噪声的电长度相同，保持相位相反的状态，在经过所述合路器34时容易使其相互抵消。
[0063]
如图1所示，所述计数器4连接所述噪声抵消电路3的输出端，用于脉冲计数。
[0064]
本发明的脉冲计数系统，所述调相器33使得所述第一低噪声放大器31和所述第二低噪声放大器32输出的信号的波峰-波谷对齐、所述第一低噪声放大器31和所述第二低噪声放大器32输出的信号的波谷-波峰对齐，在经过所述合路器34耦合时，噪声抵消，从而得到高信噪比的脉冲响应信号，提升所述计数器4的计数率。所述单光子探测器2与所述第一低噪声放大器31、所述第二低噪声放大器32之间通过同轴电缆连接，保证了两路信号中噪声的电长度相同，容易彼此抵消，使得电路的稳定性提升，降低了系统的复杂度。
[0065]
实施例三
[0066]
本实施例提供一种脉冲计数方法，基于实施例二中所述的脉冲计数系统实现，包括以下步骤：
[0067]
s1：所述单光子探测器2基于所述差分交流偏置信号探测外部光源，并产生两路所述脉冲信号。
[0068]
具体地，基于所述信号发生器1产生所述第一偏置信号与第二偏置信号，所述单光子探测器2探测外部光源并产生两路脉冲信号，一路脉冲信号输入至所述单光子探测器2中的所述第一超导纳米线中，另外一路脉冲信号输入至所述单光子探测器2中的所述第二超导纳米线中。其中，所述第一偏置信号与第二偏置信号为幅度相同、频率相同、相位相同的交流偏置信号。
[0069]
s2：通过所述噪声抵消电路3将两路所述脉冲信号自差分耦合，抵消两路所述脉冲信号中的噪声。
[0070]
具体地，所述噪声抵消电路3中包括所述第一低噪声放大器31、第二低噪声放大器32、调相器33及合路器34，所述调相器33将所述第二低噪声放大器32输出的信号的波峰与所述第一低噪声放大器31输出的信号的波谷对齐、所述第二低噪声放大器32输出的信号的波谷与所述第一低噪声放大器31输出的信号的波峰对齐，所述第一低噪声放大器31输出的信号及所述调相器33输出的信号在所述合路器34中进行自差分耦合，脉冲信号中的噪声相互抵消，从而得到高信噪比的脉冲响应信号。
[0071]
s3：通过所述计数器4进行脉冲计数。
[0072]
综上所述，本发明提供一种单光子探测器、脉冲计数系统及方法，所述单光子探测器至少包括：不相交的第一超导纳米线及第二超导纳米线，探测外部光源并产生脉冲信号；其中，所述第一超导纳米线与所述第二超导纳米线的尺寸及电学性能参数相同。所述脉冲计数系统包括单光子探测器，还包括信号发生器、噪声抵消电路及计数器；所述信号发生器用于产生第一偏置信号及第二偏置信号；其中，所述第一偏置信号与第二偏置信号为同相交流偏置信号，所述第一偏置信号接所述第一超导纳米线的第一端，所述第二偏置信号接所述第二超导纳米线的第一端；所述噪声抵消电路的第一输入端连接所述第一超导纳米线的第二端，第二输入端连接所述第二超导纳米线的第二端，用于消除噪声；所述计数器连接
所述噪声抵消电路的输出端，用于脉冲计数。本发明的脉冲计数系统及方法中，采用自差分降噪的方法为输出信号降噪，使得脉冲的信噪比得到了有效的提升，从而降低了系统复杂度，提升系统稳定性，使系统可以高速地工作；所述第一偏置信号及所述第二偏置信号为幅度相同、频率相同、相位相同的交流偏置信号，通过所述第一超导纳米线及所述第二超导纳米线的周期性淬灭，实现了有效地自复位、防闩锁功能。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0073]
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。

技术特征：
1.一种单光子探测器，其特征在于：所述单光子探测器包括不相交的第一超导纳米线及第二超导纳米线，探测外部光源并产生脉冲信号；其中，所述第一超导纳米线与所述第二超导纳米线的尺寸及电学性能参数相同。2.根据权利要求1所述的单光子探测器，其特征在于：所述第一超导纳米线及所述第二超导纳米线覆盖在光敏面区域，所述第一超导纳米线与所述第二超导纳米线交替设置。3.根据权利要求2所述的单光子探测器，其特征在于：所述第一超导纳米线及所述第二超导纳米线呈s型间隔排布。4.根据权利要求1所述的单光子探测器，其特征在于：所述第一超导纳米线及所述第二超导纳米线分别覆盖第一光敏面区域及第二光敏面区域。5.一种脉冲计数系统，包括权利要求1-4任意一项所述的单光子探测器，其特征在于，所述脉冲计数系统还包括：信号发生器、噪声抵消电路及计数器；所述信号发生器用于产生第一偏置信号及第二偏置信号；其中，所述第一偏置信号与第二偏置信号为同相交流偏置信号，所述第一偏置信号接所述第一超导纳米线的第一端，所述第二偏置信号接所述第二超导纳米线的第一端；所述噪声抵消电路的第一输入端连接所述第一超导纳米线的第二端，第二输入端连接所述第二超导纳米线的第二端，用于消除噪声；所述计数器连接所述噪声抵消电路的输出端，用于脉冲计数。6.根据权利要求5所述的脉冲计数系统，其特征在于：所述信号发生器与所述单光子探测器之间采用同轴电缆连接。7.根据权利要求5所述的脉冲计数系统，其特征在于：所述单光子探测器与所述噪声抵消电路之间采用同轴电缆连接。8.根据权利要求5所述的脉冲计数系统，其特征在于，所述噪声抵消电路包括：第一低噪声放大器，连接所述第一超导纳米线的第二端，用于放大一路所述脉冲信号；第二低噪声放大器，连接所述第二超导纳米线的第二端，用于放大另外一路所述脉冲信号；调相器，连接所述第二低噪声放大器的输出端，用于调节相位，使得所述第二低噪声放大器输出的信号的波峰与所述第一低噪声放大器输出的信号的波谷对齐、所述第二低噪声放大器输出的信号的波谷与所述第一低噪声放大器输出的信号的波峰对齐；合路器，连接所述第一低噪声放大器的输出端及所述调相器的输出端，用于耦合所述第一低噪声放大器及所述调相器输出的信号，使所述第一低噪声放大器及所述调相器输出的信号中的噪声相互抵消。9.根据权利要求8所述的脉冲计数系统，其特征在于：所述第一低噪声放大器及第二低噪声放大器结构及性能相同。10.一种脉冲计数方法，基于权利要求5-9任意一项所述的脉冲计数系统实现，其特征在于，包括以下步骤：s1：所述单光子探测器基于所述同相交流偏置信号探测外部光源，并产生两路所述脉冲信号；s2：通过所述噪声抵消电路将两路所述脉冲信号自差分耦合，抵消两路所述脉冲信号中的噪声；
s3：通过所述计数器进行脉冲计数。

技术总结
本发明提供一种单光子探测器、脉冲计数系统及方法，单光子探测器至少包括：不相交的第一超导纳米线及第二超导纳米线，探测外部光源并产生脉冲信号；其中，第一超导纳米线与第二超导纳米线的尺寸及电学性能参数相同。脉冲计数系统包括单光子探测器，还包括信号发生器、噪声抵消电路及计数器。本发明的脉冲计数系统及方法中，采用自差分降噪的方法为输出信号降噪，使得脉冲的信噪比得到了有效的提升，从而降低了系统复杂度，提升系统稳定性，使系统可以高速地工作。以高速地工作。以高速地工作。


技术研发人员：李浩 马璐瑶 吕超林 尤立星
受保护的技术使用者：中国科学院上海微系统与信息技术研究所
技术研发日：2022.01.06
技术公布日：2023/7/22