专利名称：利用缓冲网络调整超导纳米线光探测器响应波形的方法
技术领域：
本发明涉及一种利用缓冲网络调整超导纳米线光探测器响应波形的方法。
背景技术：
超导纳米线光探测器(SNOD : Superconducting Nanowire Optical Detector)是一种
新颖的光探测方式，可以用于可见光到红外波段实现极限灵敏度的单光子探测。SNOD 器件主要采用低温超导超薄薄膜材料，比如NbN、 Nb、 NbTiN等。典型厚度约为5纳 米，器件结构通常为100纳米左右宽度的曲折纳米线结构US2005051726A1。
理论上超导纳米线光探测器的响应时间由材料的热弛豫时间决定。比如，对于 生长在蓝宝石衬底上的3.5nm厚的NbN薄膜，其热弛豫时间约为 10ps。K.S.Ilin et al， Appl.Phys丄ett.76(19)， (2000)2752这意味着器件理论计数率可以达到100GHz左 右。实际器件为了获得和单模光纤有效光耦合，器件结构通常为纳米曲折线结构。典 型线宽为100nm，面积约10iimX10iim，占空比为50%，因此纳米线总长度约为0.5毫 米。较长的纳米线引入了一定的动态电感，这使得实际SNOD的光脉冲响应的电脉冲 半高宽增加到几个纳秒。对于面积更大的SNOD，其电脉冲宽度则会达到几十个纳秒。 响应脉冲宽度的增加使得器件的计数率明显低于其理论最大值。典型SNOD(线宽为 100nm;面积约10iimX10iim ;占空比为50% )的计数率标称值为> 70MHz。http:〃 www.scontel.net/Scontel_Eng/Production/sspd.html。而增加线宽或者减小纳米线长度等 减小动态电感的手段则会导致器件探测效率的降低，因此并不可取。目前有一些报告采 用并联纳米线的结构可以有效的减小动态电感，但是这种方法则增加了器件制备工艺的 复杂度M.Ejrnaesetal， Appl.Phys丄ett.91， (2007)262509。 本发明则考虑利用外加缓冲网络(Snubber Network)的处理方法，对响应原始脉 冲直接处理，并不改变器件的结构本身。或者说是通过后处理的方式来减小响应脉冲的 下降沿时间，使得下降沿与上升沿接近一致。通过这种方法使得响应电脉冲的宽度大大 减小，从而便于计数器计数，提高计数率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用缓冲网络调整超导纳米线光探测器响应波形的 方法。具体地说，本发明是将探测器响应脉冲原始波形分成两路， 一路利用阻抗不匹配 的反射特性生成一个反射波形叠加到另一路波形上。从而减小该路波形的下降沿时间从 而降低脉冲宽度，便于计数器技术，提升计数率。也即本发明提供的利用缓冲网络调 整SNOD响应波形的方法特征在于利用同轴线三通接头将原始脉冲信号分为两路， 一路 接缓冲网络，另外一路接检测仪器，通过调整同轴电缆的长度L和可调电阻的大小Rt调 整反射脉冲信号的强度和时延，从而调整最终检测到的脉冲波形；且0《Rt〈同轴电缆阻 抗。 本发明所述缓冲网络由两部分组成 一定长度的同轴电缆和一个端接可调电阻，由于同轴电缆的阻抗通常为50Q，所以端接可调电阻阻值Rt为0《Rt〈50欧姆。缓 冲网络通过同轴线三通接头与SNOD信号输出端相连。 (1)同轴电缆通常阻抗&为50欧姆。同轴电缆的长度根据需要确定。反射脉 冲的时延由同轴线的长度和材料决定。对于长度为L的同轴线，时延T二2L/f^，其中 c为真空中光速，f为同轴线的电信号传播速度因子。 (2)端接可调电阻决定了反射脉冲的幅度。当可调电阻Rt为50欧姆时，信号完 全被吸收，无反射。因此测量到的脉冲能量仅为原脉冲的一半。其它特性基本不变。 当可调电阻小于50欧姆时，则存在着一定的反射，反射系数RC由可调电阻决定RC = (Rt-Ro)/(Rt+R。)。 本发明利用缓冲网络实现响应脉冲和响应的时延反射脉冲形成的叠加脉冲通过 调整可调电阻的大小Rt和同轴电缆的长度L，可以调整反射脉冲信号的强度和时延。从 而调整最终检测到脉冲的波形。对于典型的SNOD响应脉冲，上升沿很快，下降沿很 慢。设定合理的可调电阻大小和同轴线长度，因此可以明显的减小下降沿时间。从而改 善检测波形，提高计数率。 总之，本发明公开了一种利用缓冲网络(snubber network)调整超导纳米线光探测 (SNOD)响应波形的方法。典型的超导纳米线光探测器波形由于器件电感的存在，其波形 具有上升沿很快，下降沿很慢的特性，从而使得脉冲宽度较大。因此这类器件脉冲计数 率受到响应电脉冲宽度的限制。本发明将响应电脉冲分成两路， 一路接常规的检测和测 试终端，比如示波器或计数器；另一路接一个缓冲网络。缓冲网络由一根同轴线和一个 端接可调电阻构成。典型同轴线阻抗为50欧姆，长度根据需要决定。端接可调电阻阻 值Rt为0《Rt < 50欧姆，其电阻阻值决定了该缓冲网络的反射系数。实际上利用缓冲网 络是实现响应脉冲和响应脉冲的时延反射脉冲形成的叠加脉冲。调整端接可调电阻值以 及缓冲网络同轴线的长度，可以有效的减小下降沿的时间。从而减小脉冲宽度，提升计 数能力和计数率。 本发明与现有技术相比，其显著优点是1、不改变器件设计和基本偏置电路， 仅需要通过简单缓冲网络就可以改善脉冲波形。减小下降沿时间，减小脉冲宽度。成本 增加相对于整个探测系统来说可以忽略不计。2、脉冲的波形调整可以根据检测需要进行 一定范围内的改变。3、作为无源网络，不会引入额外的噪声。
图1为SNOD的原始脉冲响应分两路接入缓冲网络的照片。 图2缓冲网络模拟和实际测试的结果。原始未使用缓冲网络的脉冲响应曲线1 的半高宽约为4.5纳秒；利用缓冲网络后脉冲响应曲线2的半高宽约为1.1纳秒(实验中 的同轴线长度为10厘米)，端接可调电阻阻值为0欧姆。模拟计算利用缓冲网络与实验 结果基本符合。
具体实施例方式
1、将SNOD的响应原始脉冲波形(经过放大后)利用三通分成两路， 一路接正 常的检测和测试终端，比如示波器或者计数器。另一路接缓冲网络。
2、根据响应脉冲波形和所需要达到的脉冲波形，设计同轴线长度及可调电阻 值，达到所需的脉冲波形即可。
实施例1 图1为一个实施示例采用典型的同轴线RG174-U，绝缘材料为固化聚乙烯 (SolidPE)，其电信号传播速度因子为f = 0.66。因此，对于长度为10cm长的同轴线， 其时延约lns。图2为同轴线长度为10cm及端接可调电阻阻值为0欧姆的测试与模拟结 果。模拟与测试结果基本一致，使得脉冲半高宽由4.5纳秒减小到约1.1纳秒。
实施例2当可调电阻阻值为0到50欧姆中间时，脉冲波形将处于波形曲线(1)和曲线(;2;)
之间。其余同实施例l。
权利要求
一种利用缓冲网络调整超导纳米线光探测器响应波形的方法，其特征在于利用同轴线三通接头将原始脉冲信号分为两路，一路接缓冲网络，另外一路接检测仪器，所述的缓冲网络由一根一定长度的同轴电缆和一个端接可调电阻组成，通过调整同轴电缆的长度L和可调电阻的大小Rt调整反射脉冲信号的强度和时延，从而调整最终检测到的脉冲波形；且0≤Rt＜同轴电缆阻抗。
2. 按权利要求1所述的利用缓冲网络调整超导纳米线光探测器响应波形的方法，其特 征在于利用缓冲网络实现响应脉冲和响应脉冲的延时反射脉冲形成的叠加脉冲。
3. 按权利要求1所述的利用缓冲网络调整超导纳米线光探测器响应波形的方法，其特 征在于同轴电缆阻抗R。为50欧姆，端接可调电阻的阻值Rt为0《Rt < 50欧姆。
4. 按权利要求3所述的利用缓冲网络调整超导纳米线光探测器响应波形的方法，其特 征在于端接可调电阻Rt为50欧姆时，信号完全被吸收，无反射；当可调电阻Rt〈50欧 姆则存在反射，反射系数RC由可调电阻决定，RC = (Rt-R。)/(Rt+R。)。
5. 按权利要求1所述的利用缓冲网络调整超导纳米线光探测器响应波形的方法，其特 征在于同轴线长度L和时延T的关系为T二2L/fe，式中C为真空中光速，f为同轴电缆 的电信号传播速度因子。
6. 按权利要求1所述的利用缓冲网络调整超导纳米线光探测器响应波形的方法，其特 征在于所述的检测仪器为示波器或计数器。
7. 按权利要求1或3所述的利用缓冲网络调整超导纳米线光探测器响应波形的方法， 其特征在于所述同轴电缆为RG174-U，其绝缘材料为固化聚乙烯。
8. 按权利要求5所述的利用缓冲网络调整超导纳米线光探测器响应波形的方法，其特 征在于所述同轴电缆的电信号传播速度因子f = 0.66。
9. 按权利要求7所述的利用缓冲网络调整超导纳米线光探测器响应波形的方法，其特 征在于所述同轴电缆的电信号传播速度因子f = 0.66。
全文摘要
本发明涉及一种利用缓冲网络调整超导纳米线光探测器响应波形的方法，特征在于利用同轴线三通接头将原始脉冲信号分为两路，一路接缓冲网络，另外一路接检测仪器，所述的缓冲网络由一根一定长度的同轴电缆和一个端接可调电阻组成，通过调整同轴电缆的长度L和可调电阻的大小Rt调整反射脉冲信号的强度和时延，从而调整最终检测到的脉冲波形；且0≤Rt＜同轴电缆阻抗。同轴电缆的阻抗通常为50Ω，所以端接可调电阻值Rt为0≤Rt＜50Ω。电阻阻值决定了缓冲网络的反射系数，利用缓冲网络实际上是实现响应脉冲和响应脉冲的延时反射脉冲形成的叠加脉冲。调整端接可调电阻值以及缓冲网络同轴线的长度，有效的减小下降沿的时间，从而减小脉冲宽度，提升计数能力和计数率。
文档编号G01J11/00GK101692010SQ200910196789
公开日2010年4月7日 申请日期2009年9月29日 优先权日2009年9月29日
发明者尤立星, 申小芳 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所