[发明专利]门控超导单光子探测装置及方法

说明书

本发明属于微弱光探测技术领域，特别涉及一种门控超导单光子探测装置及方法，该装置包含：用于探测单光子信号的超导纳米线单光子探测器，及用于电流偏置超导纳米线单光子探测器的偏置器，所述偏置器包含用于产生直流偏置电流信号的直流偏置电流模块和用于通过外部触发信号产生门控偏置电流信号的门控偏置电流模块，在直流偏置电流信号上叠加门控偏置电流信号，将超导纳米线偏置在门控电流下以使超导纳米线单光子探测器交替工作于探测状态和单光子不敏感状态进而实现门控单光子探测。本发明有效解决高效率的门控单光子信号探测问题，大大降低门外噪声光子对有用光子探测的影响，具有较强实用性。

技术领域

本发明属于微弱光探测技术领域，特别涉及一种门控超导单光子探测装置及方法。

背景技术

在量子信息、天文测光、大气测污、精密分析、高速现象检测、分子生物学、超高分辨率光谱学、非线性光学、高能物理、非破坏性物质分析、光时域反射等现代科学技术领域中，其核心科学问题之一都是极微弱光信号的检测，因此单光子探测器(SPD)在这些领域至关重要。目前SPD的实现方案有很多，其中光电倍增管(PMT)和硅雪崩光电二极管(Si-APD)主要工作于可见光波段，其发展已经比较成熟，但探测效率和重复频率较低。基于InGaAs/InP雪崩光电二极管(InGaAs/InP-APD)的单光子探测器则主要工作在近红外波段，目前已经在量子密钥分发等领域得到广泛应用，但其暗计数率、探测效率和后脉冲概率等性能指标也已经无法满足不断增长的应用需求。相比之下，基于纳米带状线临界超导特性的超导单光子探测器在暗计数、探测效率、重复频率、时间分辨率等性能指标表现突出，且响应波长覆盖可见光到近红外甚至太赫兹。超导单光子探测器基本工作原理是利用超薄超导材料的热点(HotSpot)效应。将超导纳米线偏置在电流略小于其临界电流附近。当一个光子入射到纳米线条上时，由于单个光子的能量比超导材料的能隙高2—3个数量级，一个光子能量就可以拆散大量的库珀对，从而形成大量的热电子，形成热点，进而使得局部纳米线条从超导态进入电阻态。热电子的能量可以通过电声子相互作用传递并弛豫后，重新回到超导库珀对状态。由于超导材料的热弛豫时间很短，因此当超导单光子探测器接收到一个单光子后，就会在器件两端产生一个高频电脉冲信号，由此实现单光子探测。超导单光子探测器的探测效率可达90％，暗计数率可低至1Hz水平，与其他单光子探测方案相比具有明显的优势，目前已经广泛应用到各相关领域的科学研究中，并逐步开始走向工程应用。

目前国内外商用超导单光子探测器均工作在自由运行模式，其偏置电流始终处于恒定值，只要超导单光子探测器从上一次的响应中恢复到了超导状态，就会一直处于单光子探测的就绪状态，此时任何时刻到达的光子，无论是信号光子还是噪声光子，都将使超导单光子探测器产生响应并输出探测信号。自由运行模式下超导单光子探测器无法实现门控单光子探测功能。然而，在有单光子探测需求的许多领域，信号光子通常是有时序规律的，一方面方便光子的产生、控制(如调制解调等)和处理，另一方面也可以在时序上有效区分信号光子和噪声光子。当我们采用自由运行模式下超导单光子探测器探测具有时序规律的信号光子，将对信号光子的探测带来以下不利影响：自由运行模式下超导单光子探测器不仅会对信号光子产生响应，对时序上区别于信号光子的噪声光子也会产生响应，由此到来了两个严重的问题：一是对噪声光子无差别响应导致了较高的探测错误率，使超导单光子探测器原本优异的低暗计数优势失去价值，为了解决该问题，目前的应对方法是对超导单光子探测器的输出信号进行符合计数处理，一方面增加了系统复杂度及应用成本，另一方面由于符合计数系统的性能现状，要么严重拉低探测系统的整体时钟频率，要么拉低探测系统的整体时间分辨率，使超导单光子探测器原本优异的高时钟频率和高时间分辨率优势失去价值。二是对噪声光子无差别响应导致了额外死时间问题，影响了有用的信号光子的探测。当自由运行模式下超导单光子探测器对时序上区别于信号光子的噪声光子产生响应时，由于由此到来了严重的探测误码率，使超导单光子探测器优异的低暗计数优势失去价值。

发明内容

为此，本发明提供一种门控超导单光子探测装置及方法，有效解决高效率的门控单光子信号探测问题，大大降低门外噪声光子对有用光子探测的影响。