專利名稱：利用緩沖網(wǎng)絡調整超導納米線光探測器響應波形的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種利用緩沖網(wǎng)絡調整超導納米線光探測器響應波形的方法。
背景技術：
超導納米線光探測器(SNOD : Superconducting Nanowire Optical Detector)是一種
新穎的光探測方式，可以用于可見光到紅外波段實現(xiàn)極限靈敏度的單光子探測。SNOD 器件主要采用低溫超導超薄薄膜材料，比如NbN、 Nb、 NbTiN等。典型厚度約為5納 米，器件結構通常為100納米左右寬度的曲折納米線結構US2005051726A1。
理論上超導納米線光探測器的響應時間由材料的熱弛豫時間決定。比如，對于 生長在藍寶石襯底上的3.5nm厚的NbN薄膜，其熱弛豫時間約為 10ps。K.S.Ilin et al， Appl.Phys丄ett.76(19)， (2000)2752這意味著器件理論計數(shù)率可以達到100GHz左 右。實際器件為了獲得和單模光纖有效光耦合，器件結構通常為納米曲折線結構。典 型線寬為100nm，面積約10iimX10iim，占空比為50%，因此納米線總長度約為0.5毫 米。較長的納米線引入了一定的動態(tài)電感，這使得實際SNOD的光脈沖響應的電脈沖 半高寬增加到幾個納秒。對于面積更大的SNOD，其電脈沖寬度則會達到幾十個納秒。 響應脈沖寬度的增加使得器件的計數(shù)率明顯低于其理論最大值。典型SNOD(線寬為 100nm;面積約10iimX10iim ;占空比為50% )的計數(shù)率標稱值為> 70MHz。http:〃 www.scontel.net/Scontel_Eng/Production/sspd.html。而增加線寬或者減小納米線長度等 減小動態(tài)電感的手段則會導致器件探測效率的降低，因此并不可取。目前有一些報告采 用并聯(lián)納米線的結構可以有效的減小動態(tài)電感，但是這種方法則增加了器件制備工藝的 復雜度M.Ejrnaesetal， Appl.Phys丄ett.91， (2007)262509。 本發(fā)明則考慮利用外加緩沖網(wǎng)絡(Snubber Network)的處理方法，對響應原始脈 沖直接處理，并不改變器件的結構本身。或者說是通過后處理的方式來減小響應脈沖的 下降沿時間，使得下降沿與上升沿接近一致。通過這種方法使得響應電脈沖的寬度大大 減小，從而便于計數(shù)器計數(shù)，提高計數(shù)率。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種利用緩沖網(wǎng)絡調整超導納米線光探測器響應波形的 方法。具體地說，本發(fā)明是將探測器響應脈沖原始波形分成兩路， 一路利用阻抗不匹配 的反射特性生成一個反射波形疊加到另一路波形上。從而減小該路波形的下降沿時間從 而降低脈沖寬度，便于計數(shù)器技術，提升計數(shù)率。也即本發(fā)明提供的利用緩沖網(wǎng)絡調 整SNOD響應波形的方法特征在于利用同軸線三通接頭將原始脈沖信號分為兩路， 一路 接緩沖網(wǎng)絡，另外一路接檢測儀器，通過調整同軸電纜的長度L和可調電阻的大小Rt調 整反射脈沖信號的強度和時延，從而調整最終檢測到的脈沖波形；且0《Rt〈同軸電纜阻 抗。 本發(fā)明所述緩沖網(wǎng)絡由兩部分組成 一定長度的同軸電纜和一個端接可調電阻，由于同軸電纜的阻抗通常為50Q，所以端接可調電阻阻值Rt為0《Rt〈50歐姆。緩 沖網(wǎng)絡通過同軸線三通接頭與SNOD信號輸出端相連。 (1)同軸電纜通常阻抗&為50歐姆。同軸電纜的長度根據(jù)需要確定。反射脈 沖的時延由同軸線的長度和材料決定。對于長度為L的同軸線，時延T二2L/f^，其中 c為真空中光速，f為同軸線的電信號傳播速度因子。 (2)端接可調電阻決定了反射脈沖的幅度。當可調電阻Rt為50歐姆時，信號完 全被吸收，無反射。因此測量到的脈沖能量僅為原脈沖的一半。其它特性基本不變。 當可調電阻小于50歐姆時，則存在著一定的反射，反射系數(shù)RC由可調電阻決定RC = (Rt-Ro)/(Rt+R。)。 本發(fā)明利用緩沖網(wǎng)絡實現(xiàn)響應脈沖和響應的時延反射脈沖形成的疊加脈沖通過 調整可調電阻的大小Rt和同軸電纜的長度L，可以調整反射脈沖信號的強度和時延。從 而調整最終檢測到脈沖的波形。對于典型的SNOD響應脈沖，上升沿很快，下降沿很 慢。設定合理的可調電阻大小和同軸線長度，因此可以明顯的減小下降沿時間。從而改 善檢測波形，提高計數(shù)率。 總之，本發(fā)明公開了一種利用緩沖網(wǎng)絡(snubber network)調整超導納米線光探測 (SNOD)響應波形的方法。典型的超導納米線光探測器波形由于器件電感的存在，其波形 具有上升沿很快，下降沿很慢的特性，從而使得脈沖寬度較大。因此這類器件脈沖計數(shù) 率受到響應電脈沖寬度的限制。本發(fā)明將響應電脈沖分成兩路， 一路接常規(guī)的檢測和測 試終端，比如示波器或計數(shù)器；另一路接一個緩沖網(wǎng)絡。緩沖網(wǎng)絡由一根同軸線和一個 端接可調電阻構成。典型同軸線阻抗為50歐姆，長度根據(jù)需要決定。端接可調電阻阻 值Rt為0《Rt < 50歐姆，其電阻阻值決定了該緩沖網(wǎng)絡的反射系數(shù)。實際上利用緩沖網(wǎng) 絡是實現(xiàn)響應脈沖和響應脈沖的時延反射脈沖形成的疊加脈沖。調整端接可調電阻值以 及緩沖網(wǎng)絡同軸線的長度，可以有效的減小下降沿的時間。從而減小脈沖寬度，提升計 數(shù)能力和計數(shù)率。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點是1、不改變器件設計和基本偏置電路， 僅需要通過簡單緩沖網(wǎng)絡就可以改善脈沖波形。減小下降沿時間，減小脈沖寬度。成本 增加相對于整個探測系統(tǒng)來說可以忽略不計。2、脈沖的波形調整可以根據(jù)檢測需要進行 一定范圍內的改變。3、作為無源網(wǎng)絡，不會引入額外的噪聲。
圖1為SNOD的原始脈沖響應分兩路接入緩沖網(wǎng)絡的照片。 圖2緩沖網(wǎng)絡模擬和實際測試的結果。原始未使用緩沖網(wǎng)絡的脈沖響應曲線1 的半高寬約為4.5納秒；利用緩沖網(wǎng)絡后脈沖響應曲線2的半高寬約為1.1納秒(實驗中 的同軸線長度為10厘米)，端接可調電阻阻值為0歐姆。模擬計算利用緩沖網(wǎng)絡與實驗 結果基本符合。
具體實施例方式
1、將SNOD的響應原始脈沖波形(經過放大后)利用三通分成兩路， 一路接正 常的檢測和測試終端，比如示波器或者計數(shù)器。另一路接緩沖網(wǎng)絡。
2、根據(jù)響應脈沖波形和所需要達到的脈沖波形，設計同軸線長度及可調電阻 值，達到所需的脈沖波形即可。
實施例1 圖1為一個實施示例采用典型的同軸線RG174-U，絕緣材料為固化聚乙烯 (SolidPE)，其電信號傳播速度因子為f = 0.66。因此，對于長度為10cm長的同軸線， 其時延約lns。圖2為同軸線長度為10cm及端接可調電阻阻值為0歐姆的測試與模擬結 果。模擬與測試結果基本一致，使得脈沖半高寬由4.5納秒減小到約1.1納秒。
實施例2當可調電阻阻值為0到50歐姆中間時，脈沖波形將處于波形曲線(1)和曲線(;2;)
之間。其余同實施例l。
權利要求
一種利用緩沖網(wǎng)絡調整超導納米線光探測器響應波形的方法，其特征在于利用同軸線三通接頭將原始脈沖信號分為兩路，一路接緩沖網(wǎng)絡，另外一路接檢測儀器，所述的緩沖網(wǎng)絡由一根一定長度的同軸電纜和一個端接可調電阻組成，通過調整同軸電纜的長度L和可調電阻的大小Rt調整反射脈沖信號的強度和時延，從而調整最終檢測到的脈沖波形；且0≤Rt＜同軸電纜阻抗。
2. 按權利要求1所述的利用緩沖網(wǎng)絡調整超導納米線光探測器響應波形的方法，其特 征在于利用緩沖網(wǎng)絡實現(xiàn)響應脈沖和響應脈沖的延時反射脈沖形成的疊加脈沖。
3. 按權利要求1所述的利用緩沖網(wǎng)絡調整超導納米線光探測器響應波形的方法，其特 征在于同軸電纜阻抗R。為50歐姆，端接可調電阻的阻值Rt為0《Rt < 50歐姆。
4. 按權利要求3所述的利用緩沖網(wǎng)絡調整超導納米線光探測器響應波形的方法，其特 征在于端接可調電阻Rt為50歐姆時，信號完全被吸收，無反射；當可調電阻Rt〈50歐 姆則存在反射，反射系數(shù)RC由可調電阻決定，RC = (Rt-R。)/(Rt+R。)。
5. 按權利要求1所述的利用緩沖網(wǎng)絡調整超導納米線光探測器響應波形的方法，其特 征在于同軸線長度L和時延T的關系為T二2L/fe，式中C為真空中光速，f為同軸電纜 的電信號傳播速度因子。
6. 按權利要求1所述的利用緩沖網(wǎng)絡調整超導納米線光探測器響應波形的方法，其特 征在于所述的檢測儀器為示波器或計數(shù)器。
7. 按權利要求1或3所述的利用緩沖網(wǎng)絡調整超導納米線光探測器響應波形的方法， 其特征在于所述同軸電纜為RG174-U，其絕緣材料為固化聚乙烯。
8. 按權利要求5所述的利用緩沖網(wǎng)絡調整超導納米線光探測器響應波形的方法，其特 征在于所述同軸電纜的電信號傳播速度因子f = 0.66。
9. 按權利要求7所述的利用緩沖網(wǎng)絡調整超導納米線光探測器響應波形的方法，其特 征在于所述同軸電纜的電信號傳播速度因子f = 0.66。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用緩沖網(wǎng)絡調整超導納米線光探測器響應波形的方法，特征在于利用同軸線三通接頭將原始脈沖信號分為兩路，一路接緩沖網(wǎng)絡，另外一路接檢測儀器，所述的緩沖網(wǎng)絡由一根一定長度的同軸電纜和一個端接可調電阻組成，通過調整同軸電纜的長度L和可調電阻的大小Rt調整反射脈沖信號的強度和時延，從而調整最終檢測到的脈沖波形；且0≤Rt＜同軸電纜阻抗。同軸電纜的阻抗通常為50Ω，所以端接可調電阻值Rt為0≤Rt＜50Ω。電阻阻值決定了緩沖網(wǎng)絡的反射系數(shù)，利用緩沖網(wǎng)絡實際上是實現(xiàn)響應脈沖和響應脈沖的延時反射脈沖形成的疊加脈沖。調整端接可調電阻值以及緩沖網(wǎng)絡同軸線的長度，有效的減小下降沿的時間，從而減小脈沖寬度，提升計數(shù)能力和計數(shù)率。
文檔編號G01J11/00GK101692010SQ200910196789
公開日2010年4月7日 申請日期2009年9月29日 優(yōu)先權日2009年9月29日
發(fā)明者尤立星, 申小芳 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所