超导纳米线单光子探测器的低温读取方法和系统与流程

1.本技术涉及低温读取技术领域，具体而言，涉及一种超导纳米线单光子探测器的低温读取方法和系统。


背景技术：

2.超导纳米线单光子探测器(superconducting nanowire single-photon detector，简称：snspd)是一种高性能的单光子探测器，广泛应用于量子信息、激光雷达、深空通信等领域，超导纳米线单光子探测器的感光部分使用超导薄膜，例如氮化铌薄膜制备成的纳米线构成。
3.超导纳米线单光子探测器工作时，给纳米线偏置电流，当纳米线条吸收光子后，吸收区域的超导态被破坏，在电路上表现为流经探测器上电流突然下降，随后纳米线条经过冷却过程，恢复到初始状态；超导纳米线单光子探测器吸收光子的过程在电路上表现为快速上升，随后指数衰减的电脉冲。
4.相关技术中，超导纳米线单光子探测器低温数字读出方式使用基于超导约瑟夫森结的rsfq（rapid single flux quantum）数字电路，通过磁通量子的有无来表示信息位，基本rsfq结构是一个由约瑟夫逊结和旁路电阻构成的超导环，其中，约瑟夫松结的上下2层由超导体构成，中间由非常薄的一层绝缘体构成。
5.然而，rsfq数字电路的读出方式均是通过磁通方式读出信号，输出信号微弱，导致其对外界环境要求高。


技术实现要素：

6.为了解决现有超导纳米线单光子探测器低温读出的电路输出信号微弱，导致对外界环境要求高的问题，本技术提供了一种超导纳米线单光子探测器的低温读取方法和系统。
7.本技术的实施例是这样实现的：本技术实施例的第一方面提供一种超导纳米线单光子探测器的低温读取系统，包括制冷装置、模拟开关电路板和射频放大电路板；其中，制冷装置包括制冷机构和固定机构，制冷机构通过固定机构固定设置在制冷装置的内腔；模拟开关电路板、射频放大电路板设置在固定机构上；模拟开关电路板与射频放大电路板电连接，模拟开关电路板与超导纳米线单光子探测器电连接，射频放大电路板的输出与制冷装置外壳上的第一连接件连接；模拟开关电路板和射频放大电路板的电源线、信号线和控制线与制冷装置外壳上的第二连接件连接。
8.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，模拟开关电路板包括至少一个模拟开关模块；模拟开关模块的m个选择通道与各超导纳米线单光子探测器的第一端电连接，模拟开关模块的公共通道与各超导纳米线单光子探测器的第二端电连接；模拟开关模块包括
第一级开关选择单元、第二级开关选择单元和编码器；第一级开关选择单元的输出端接地，第一级开关选择单元的输入端与第二级开关选择单元的输出端电连接，第二级开关选择单元的输入端与选择通道电连接，编码器和第二级开关选择单元的使能端电连接；模拟开关模块用于控制各选择通道与超导纳米线单光子探测器连接。
9.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，射频放大电路板包括射频放大模块，射频放大模块与模拟开关模块的公共通道电连接，射频放大模块包括n个放大子单元，各放大子单元级联；射频放大模块用于放大超导纳米线单光子探测器的输出信号。
10.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，当模拟开关电路板包括两个模拟开关模块时，超导纳米线单光子探测器的低温读取系统包括两个射频放大电路板；其中，第一个射频放大电路板与第一个模拟开关模块的公共通道电连接，第二个射频放大电路板与第二个模拟开关模块的公共通道电连接。
11.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，当各模拟开关模块中的第一级开关选择单元包括n组单刀单掷开关，第二级开关选择单元包括n组单刀双掷开关时，模拟开关模块的选择通道数m=2n*a，其中，a为第二级开关选择单元的个数。
12.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，还包括检测仪器，检测仪器通过第一连接件与射频放大电路板电连接。
13.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，制冷装置的内腔的温度在77k~30k。
14.结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述制冷装置包括制冷机构和固定机构，所述制冷机构通过所述固定机构固定设置在所述制冷装置的内腔；所述模拟开关电路板、所述射频放大电路板设置在所述固定机构上。
15.本技术实施例的第二方面提供一种超导纳米线单光子探测器的低温读取方法，包括超导纳米线单光子探测器，至少一个模拟开关模块和至少一个射频放大模块；各超导纳米线单光子探测器的第一端与模拟开关模块的m个选择通道电连接，各超导纳米线单光子探测器的第二端与模拟开关模块的公共通道电连接；模拟开关模块的公共通道与射频放大模块电连接，射频放大模块的输出端通过制冷装置外壁上的第一连接件将传输信号由低温工作区传输至室温工作区；其中，模拟开关模块包括第一级开关选择单元、第二级开关选择单元和编码器；第一级开关选择单元的输出端接地，第一级开关选择单元的输入端与第二级开关选择单元的输出端电连接，第二级开关选择单元的输入端与选择通道电连接，编码器和第二级开关选择单元的使能端电连接；模拟开关模块用于控制各选择通道与超导纳米线单光子探测器连接；射频放大模块包括n个放大子单元，各放大子单元级联；射频放大模块用于放大超导纳米线单光子探测器的输出信号。
16.结合第二方面，在一种可能的实现方式中，当第一级开关选择单元为n组单刀单掷开关，第二级开关选择单元为n组单刀双掷开关时，模拟开关模块的选择通道数m=2n*a，其中，a为第二级开关选择单元的个数。
17.本技术的有益效果；超导纳米线单光子探测器的低温读取系统，包括制冷装置、模拟开关电路板和射频放大电路板；其中，制冷装置的内腔中设置多个超导纳米线单光子探
测器、模拟开关电路板、射频放大电路板；模拟开关电路板包括至少一个模拟开关模块，模拟开关模块的m个选择通道与各超导纳米线单光子探测器的第一端电连接，模拟开关模块的公共通道与各超导纳米线单光子探测器的第二端电连接；模拟开关模块包括第一级开关选择单元、第二级开关选择单元和编码器；第一级开关选择单元的输出端接地，第一级开关选择单元的输入端与第二级开关选择单元的输出端电连接，第二级开关选择单元的输入端与选择通道电连接，编码器和第二级开关选择单元的使能端电连接；模拟开关模块用于控制各选择通道与超导纳米线单光子探测器连接；射频放大电路板包括射频放大模块，射频放大模块与模拟开关模块的公共通道电连接，射频放大模块包括n个放大子单元，各放大子单元级联；射频放大模块用于放大超导纳米线单光子探测器的输出信号，本技术实施例通过低温环境下的模拟开关模块实现多个超导纳米线单光子探测器选择，通过低温环境下的射频放大模块，提高输出信号的放大倍数，改善外界对超导纳米线单光子探测器的低温读取的干扰。
附图说明
18.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1示出了超导纳米线单光子探测器的工作原理图；图2示出了纳米线两端电压脉冲的示意图；图3示出了本技术实施例提供的一种超导纳米线单光子探测器的低温读取系统的结构示意图；图4示出了本技术实施例中一种模拟开关模块的电路连接示意图；图5示出了本技术实施例中一种模拟开关电路板的示意图；图6示出了本技术实施例中射频放大模块的电路连接示意图；其中，100-制冷装置；200-超导纳米线单光子探测器；300-模拟开关电路板；301-编码器；302-第二级开关选择单元；303-第一级开关选择单元；304-调节电路单元；310-模拟开关模块；400-射频放大电路板；410-射频放大模块；401-第一放大子单元；402-第二放大子单元；403-第三放大子单元；500-第一连接件；600-第二连接件。
具体实施方式
20.为使本技术的目的、实施方式和优点更加清楚，下面将结合本技术示例性实施例中的附图，对本技术示例性实施方式进行清楚、完整地描述，显然，所描述的示例性实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。
21.需要说明的是，本技术中对于术语的简要说明，仅是为了方便理解接下来描述的实施方式，而不是意图限定本技术的实施方式。除非另有说明，这些术语应当按照其普通和通常的含义理解。
22.本技术中说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别类似或同类的对象或实体，而不必然意味着限定特定的顺序或先后次序，除非另
外注明。应该理解这样使用的用语在适当情况下可以互换。
23.术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖但不排他的包含，例如，包含了一系列组件的产品或设备不必限于清楚地列出的所有组件，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些产品或设备固有的其它组件。
24.超导材料是在特定温度下呈现零电阻的一类特殊材料，利用超导材料制备的传感器、探测器通常具备高灵敏度、低噪声、高速度等优势，可以在很多领域发挥不可替代的作用。
25.为了有效地增强纳米线对入射光子的吸收能力，通常将纳米线加工成曲折线结构，形成特定尺寸的光敏面。图1示出了超导纳米线单光子探测器的工作原理图，如图1所示，超导纳米线单光子探测器工作时，给超导纳米线施加一个偏置电流，该电流接近但稍小于纳米线的临界电流。纳米线吸收光子之后，会产生一个热点，这使得热点周围的电流密度超过纳米线能够承载的临界电流密度，周围的超导态就会被破坏(图1中a状态)，使得热点长大(图1中b状态)，导致一个横跨整个纳米线的有阻区出现(图1中c状态)；这个有阻区在电流动态变化和焦耳热通过衬底弛豫的电热动态反馈的互作用下，呈现先长大(图1中d状态)再减小(图1中e状态)，最终恢复超导态的过程。
26.图2示出了纳米线两端电压脉冲的示意图，如图2所示，整个过程的结果就是在纳米线两端出现一个电压脉冲，该脉冲呈现上升沿很快，下降沿较慢的过程。脉冲宽度主要由纳米线的动态电感决定，器件光敏面越大，线条越长，动态电感也就越大，典型的响应脉宽在几个纳秒到几十个纳秒之间。
27.相关技术中，超导纳米线单光子探测器低温数字读出方式使用基于超导约瑟夫森结的rsfq（rapid single flux quantum）数字电路，通过磁通量子的有无来表示信息位，基本rsfq结构是一个由约瑟夫逊结和旁路电阻构成的超导环，其中，约瑟夫松结的上下2层由超导体构成，中间由非常薄的一层绝缘体构成。
28.这种通过磁通读取的方式，输出信号弱，电路需要磁屏蔽才能保证稳定的动作，导致其对外界环境要求高。
29.为了改善超导纳米线单光子探测器的低温读取时对环境的高要求，本技术提供一种超导纳米线单光子探测器的低温读取方法和系统，超导纳米线单光子探测器的低温读取系统，包括制冷装置、模拟开关电路板和射频放大电路板；其中，制冷装置的内腔中设置多个超导纳米线单光子探测器、模拟开关电路板、射频放大电路板；模拟开关电路板包括至少一个模拟开关模块，模拟开关模块的m个选择通道与各超导纳米线单光子探测器的第一端电连接，模拟开关模块的公共通道与各超导纳米线单光子探测器的第二端电连接；模拟开关模块包括第一级开关选择单元、第二级开关选择单元和编码器；第一级开关选择单元的输出端接地，第一级开关选择单元的输入端与第二级开关选择单元的输出端电连接，第二级开关选择单元的输入端与选择通道电连接，编码器和第二级开关选择单元的使能端电连接；模拟开关模块用于控制各选择通道与超导纳米线单光子探测器连接；射频放大电路板包括射频放大模块，射频放大模块与模拟开关模块的公共通道电连接，射频放大模块包括n个放大子单元，各放大子单元级联；射频放大模块用于放大超导纳米线单光子探测器的输出信号，本技术实施例通过低温环境下的模拟开关模块实现多个超导纳米线单光子探测器选择，通过低温环境下的射频放大模块，提高输出信号的放大倍数，改善外界对超导纳米线
单光子探测器的低温读取的干扰。
30.以下结合附图对本技术实施例的为了一种超导纳米线单光子探测器的低温读取方法和系统进行详细说明。
31.图3示出了本技术实施例提供的一种超导纳米线单光子探测器的低温读取系统的结构示意图，如图3所示，本技术提供一种超导纳米线单光子探测器的低温读取系统，包括多个超导纳米线单光子探测器200、制冷装置100、模拟开关电路板300和射频放大电路板400。
32.多个超导纳米线单光子探测器200、模拟开关电路板300、射频放大电路板400设置在制冷装置100的内腔，且制冷装置100内设为低温工作区域。
33.在一些实施例中，制冷装置100包括制冷机构和固定机构，制冷机构通过固定机构固定设置在制冷装置100的内腔；多个超导纳米线单光子探测器200，模拟开关电路板300、射频放大电路板400设置在固定机构上。
34.制冷装置100的形状本技术不做限定，可以是圆筒型，也可以是长方体型等。
35.在一些实施例中，制冷装置100的内腔的温度可以在77k~30k的范围内，为超导纳米线单光子探测器200的通道选择和信号放大，提供低温工作区域。
36.应当说明的是，制冷装置100的内腔温度，可以是变化的温度；制冷机构的温度、制冷机构和制冷装置100外壁之间的温度可能是存在差异的，例如，制冷机构的温度高于制冷机构和制冷装置100外壁之间的温度。
37.模拟开关电路板300与射频放大电路板400电连接，模拟开关电路板300与超导纳米线单光子探测器200电连接，射频放大电路板400的输出与制冷装置100外壳上的第一连接件500连接；模拟开关电路板300和射频放大电路板400的电源线、信号线和控制线与制冷装置100外壳上的第二连接件600连接。
38.模拟开关电路板300包括至少一个模拟开关模块310；图4示出了本技术实施例中一种模拟开关模块310的电路连接示意图，如图4所示，模拟开关模块310通过m个选择通道、公共通道与超导纳米线单光子探测器200电连接；模拟开关模块310包括第一级开关选择单元303、第二级开关选择单元302和编码器301；第一级开关选择单元303的输出端接地，第一级开关选择单元303的输入端与第二级开关选择单元302的输出端电连接，第二级开关选择单元302的输入端与选择通道电连接，编码器301和第二级开关选择单元302的使能端电连接；模拟开关模块310用于控制各选择通道与各超导纳米线单光子探测器200连接。
39.其中，模拟开关模块310通过m个选择通道与各超导纳米线单光子探测器200的第一端电连接，模拟开关模块310通过公共通道与各超导纳米线单光子探测器200的第二端电连接，也就是说，各超导纳米线单光子探测器200的第二端汇聚在一起与模拟开关模块310的公共通道电连接。
40.编码器301通过各第二级开关选择单元302选通输出信息能够确定响应管子的超导纳米线单光子探测器200所在的位置。
41.当各模拟开关模块310中的第一级开关选择单元303包括n组单刀单掷开关，第二级开关选择单元302包括n组单刀双掷开关时，模拟开关模块310的选择通道数m=2n*a，其中，a为第二级开关选择单元302的个数。
42.其中，第二级开关选择单元302的数量可以是多个，例如，当第一级开关选择单元
303为四选一的开关时，其中，四路分别对应各第二级开关选择单元302的第一输出端到第四输出端的四个输出端，对于每个第二级开关选择单元302可以包括八个输入端，其中，每两个输入端对应一个输出端。
43.继续上述例子，当第二级开关选择单元302具有十六个时，可以对应128个选择通道。
44.通过模拟开关模块310每次可选择一路超导纳米线单光子探测器接通到地，并通过射频放大模块410输出，最终实现减少电路的输出端口数；其中，各模拟开关可以达10纳秒。
45.所有模拟开关单元（第一级开关选择单元303和第二级开关选择单元302）均采用高带宽，低导通电阻的芯片，以保证原始信号尽量小的衰减。
46.如图4所示，在模拟开关模块310的公共通道处还设有调节电路单元304，调节电路包括电源、信号转换等。
47.图5示出了本技术实施例中一种模拟开关电路板300的示意图，如图5所示，当模拟开关电路板300上具有两个模拟开光模块，当每个模拟开关模块310可以连接128通道超导纳米线单光子探测器200，图5所示的模拟开关电路板300可以连接256通道。
48.也就是说，图5所示的模拟开关电路板中每个模拟开关模块310具有128个选择通道时，可以实现对256个超导纳米线单光子探测器200连接以及控制。
49.在一些实施例中，模拟开关电路板300的形状不限于图5中的形状，可以是圆形，也可以是方形，也可以是适应于制冷装置100内的其他不规则的形状等。
50.射频放大电路板400包括射频放大模块410，射频放大模块410与模拟开关模块310的公共通道电连接，射频放大模块410包括n个放大子单元，各放大子单元级联；射频放大模块410用于放大超导纳米线单光子探测器200的输出信号。
51.例如，射频放大模块410包括三个放大子单元，图6示出了本技术实施例中射频放大模块410的电路连接示意图，如图6所示，射频放大模块410包括第一放大子单元401、第二放大子单元402和第三放大子单元403；其中，第一放大子单元401的输入端与模拟开关模块310的公共通道电连接，第一放大子单元401的输出端与第二放大子单元402的输入端电连接，第二放大子单元402的输出端与第三放大子单元403的输入端电连接，通过三个放大子单元之间的级联，将输出信号放大到需求的范围内，便于对输出信号的测量等操作。
52.在一些实施例中，还可以在常温下再设置有放大电路，通过第一连接件500，在常温下，先连接一个放大电路，便于检测输出信号。
53.在一些实施例中，当模拟开关电路板300包括两个模拟开关模块310时，超导纳米线单光子探测器200的低温读取系统可包括两个射频放大电路板400；其中，第一个射频放大电路板400与第一个模拟开关模块310的公共通道电连接，第二个射频放大电路板400与第二个模拟开关模块310的公共通道电连接。
54.在一些实施例中，当模拟开关电路板300包括两个模拟开关模块310时，超导纳米线单光子探测器200的低温读取系统可包括一个射频放大电路板400；其中，射频放大电路板400的第一射频放大模块410与第一个模拟开关模块310的公共通道电连接，射频放大电路板400的第二射频放大模块410与第二个模拟开关模块310的公共通道电连接。
55.在一些实施例中，当模拟开关电路板300包括两个模拟开关模块310时，超导纳米
线单光子探测器200的低温读取系统可包括一个射频放大电路板400；其中，射频放大电路板400的射频放大模块410与第一个模拟开关模块310的公共通道、第二个模拟开关模块310的公共通道电连接。
56.若低温环境的空间利用率有限，可将模拟开关电路板300与射频放大电路板400分开安装，以解决因制冷机内部空间有限带来的安装问题，若低温环境的空间利用率大，可以将模拟开关电路板300与射频放大电路板400在同一个电路板体现。
57.射频放大电路的输出信号使用同轴线与制冷剂壁上的接插件相连，可以使得信号受到的干扰降到最低。
58.在一些实施例中，超导纳米线单光子探测器200的低温读取系统包括检测仪器，检测仪器通过第一连接件500与射频放大电路板400电连接。
59.例如，第一连接件500可以是sma接插件，在制冷装置100外通过同轴线与常温下的检测仪器相连接，在制冷装置100内通过同轴线与低温工作区的射频放大电路板400相连接。
60.在一些实施例中，模拟开关电路板300、射频放大电路板400的电源引脚、信号线、控制线通过第二连接件600与常温下的电源、信号设备等相连接。
61.在一些实施例中，模拟开关电路板300、射频放大电路板400可以是柔性pcb。
62.例如，制冷装置100内，超导纳米线单光子探测器200和模拟开关电路板300可通过bonding技术连接，模拟开关电路板300与射频放大电路板400可通过漆包线连接，射频放大电路板400至检测仪器通过同轴线、第一连接件500连接。
63.其中，同轴线为50ω阻抗同轴线，工作频率》5ghz，同时保证了阻抗的特征匹配，衰减小的同轴线有助于探测器输出信号的保持。
64.本技术超导纳米线单光子探测器200的低温读取系统结构简单、工艺制备简单和抗磁性强，放大电路采可稳定运行在低温环境下。
65.超导纳米线单光子探测器200的低温读取系统，包括制冷装置100、模拟开关电路板300和射频放大电路板400；其中，制冷装置100的内腔中设置多个超导纳米线单光子探测器200、模拟开关电路板300、射频放大电路板400；模拟开关电路板300包括至少一个模拟开关模块310，模拟开关模块310与超导纳米线单光子探测器200电连接；模拟开关模块310包括第一级开关选择单元303、第二级开关选择单元302和编码器301；第一级开关选择单元303的输出端接地，第一级开关选择单元303的输入端与第二级开关选择单元302的输出端电连接，第二级开关选择单元302的输入端与选择通道电连接，编码器301和第二级开关选择单元302的使能端电连接；模拟开关模块310用于控制各选择通道与超导纳米线单光子探测器200连接；射频放大电路板400包括射频放大模块410，射频放大模块410与模拟开关模块310的公共通道电连接，射频放大模块410包括n个放大子单元，各放大子单元级联；射频放大模块410用于放大超导纳米线单光子探测器200的输出信号，本技术实施例通过低温环境下的模拟开关模块310实现多个超导纳米线单光子探测器200选择，通过低温环境下的射频放大模块410，提高输出信号的放大倍数，改善外界对超导纳米线单光子探测器200的低温读取的干扰。
66.本技术实施例还提供一种超导纳米线单光子探测器200的低温读取方法，包括超导纳米线单光子探测器200，至少一个模拟开关模块310和至少一个射频放大模块410。
67.超导纳米线单光子探测器200与模拟开关模块310电连接，模拟开关模块310的公共通道与射频放大模块410电连接，射频放大模块410的输出端通过制冷装置100外壁上的第一连接件500将传输信号由低温工作区传输至室温工作区。
68.其中，各超导纳米线单光子探测器的第一端与模拟开关模块的m个选择通道电连接，各超导纳米线单光子探测器的第二端与模拟开关模块的公共通道电连接。
69.其中，模拟开关模块310包括第一级开关选择单元303、第二级开关选择单元302和编码器301；第一级开关选择单元303的输出端接地，第一级开关选择单元303的输入端与第二级开关选择单元302的输出端电连接，第二级开关选择单元302的输入端与选择通道电连接，编码器301和第二级开关选择单元302的使能端电连接；模拟开关模块310用于控制各选择通道与超导纳米线单光子探测器200连接。
70.其中，射频放大模块410包括n个放大子单元，各放大子单元级联；射频放大模块410用于放大超导纳米线单光子探测器200的输出信号。当第一级开关选择单元303为n组单刀单掷开关，第二级开关选择单元302为n组单刀双掷开关时，模拟开关模块310的选择通道数m=2n*a，其中，a为第二级开关选择单元302的个数。
71.利用模拟开关单元级联的搭配方式，将多个超导纳米线单光子探测器200的输出信号在低温中进行放大，在低温工作区域，能够将其检测信号先放大三级将其与环境噪声分离开，有效地避免低温下的环境噪声；模拟开关单元级联后减少需要引出端口的数量，输出端口特性避免传统读出电路中的带宽浪费，同时具有高增益的特点。
72.一种超导纳米线单光子探测器200的低温读取方法，包括超导纳米线单光子探测器200，至少一个模拟开关模块310和至少一个射频放大模块410。超导纳米线单光子探测器200与模拟开关模块310电连接，模拟开关模块310的公共通道与射频放大模块410电连接，射频放大模块410的输出端通过制冷装置100外壁上的第一连接件500将传输信号由低温工作区传输至室温工作区。其中，模拟开关模块310包括第一级开关选择单元303、第二级开关选择单元302和编码器301；第一级开关选择单元303的输出端接地，第一级开关选择单元303的输入端与第二级开关选择单元302的输出端电连接，第二级开关选择单元302的输入端与选择通道电连接，编码器301和第二级开关选择单元302的使能端电连接；模拟开关模块310用于控制各选择通道与超导纳米线单光子探测器200连接。
73.以下段落将对本技术说明书中涉及的中文术语、及其对应的英文术语进行对比罗列，以便于阅读、理解。
74.为了方便解释，已经结合具体的实施方式进行了上述说明。但是，上述在一些实施例中讨论不是意图穷尽或者将实施方式限定到上述公开的具体形式。根据上述的教导，可以得到多种修改和变形。上述实施方式的选择和描述是为了更好的解释原理以及实际的应用，从而使得本领域技术人员更好的使用实施方式以及适于具体使用考虑的各种不同的变形的实施方式。