专利摘要

本发明公开了一种基于双线结构消减SNSPD暗计数的设计，将2根氮化铌纳米线不交叉的相互缠绕，构成双线结构的超导纳米线单光子探测器SNSPD，用一根纳米线调控另一根纳米线的行为，调节偏置电流接近超导临界电流；采用光纤将光信号引入探测器光敏区，通过2根纳米线分别输出2路信号，使两根纳米线之间的暗计数相互激发，经电压比较器和异或门，消减暗计数信号，保留光子响应信号；通过使用双线结构SNSPD独特性能，能有效抑制探测器暗计数的产生，后期通过工艺提升，进一步提高SNSPD暗计数的耦合效率，有望实现完全抑制SNSPD系统的暗计数，极大提升探测器的信噪比。

权利要求

1.一种基于双线结构消减SNSPD暗计数的设计，其特征在于，包括：将2根氮化铌(NbN)纳米线不交叉的相互缠绕，构成双线结构的超导纳米线单光子探测器SNSPD，用一根纳米线调控另一根纳米线的行为，调节偏置电流接近超导临界电流；采用光纤将光信号引入探测器光敏区，通过2根纳米线分别输出2路信号，保持2根纳米线之间的光响应不耦合，使一根纳米线将自身的暗计数耦合到另一根纳米线，在时序上同时输出，以使两根纳米线之间的暗计数相互激发，经电压比较器和异或门，消减暗计数信号，保留光子响应信号。

2.根据权利要求1所述的基于双线结构消减SNSPD暗计数的设计，其特征在于，所述将2根氮化铌(NbN)纳米线不交叉的相互缠绕，包括：将2根纳米线并排排列，从左到右的长度为10至20μm，宽度为50～80nm，厚度设计为5～8nm，2根纳米线的最小间距为50～120nm,最大间距为300～400nm，缠绕周期为9～20次。

3.根据权利要求1或2所述的基于双线结构消减SNSPD暗计数的设计，其特征在于，所述双线结构，包括：纳米线转角处的外部纳米线包围内部纳米线，转角内部半径为

200～250nm，外部半径为300～400nm.单根线条宽度80nm，2根纳米线使用4根电极分别引出，缠绕周期为9次。

4.根据权利要求1所述的基于双线结构消减SNSPD暗计数的设计，其特征在于，所述超导纳米线单光子探测器SNSPD，包括：纳米线芯片边长5mm，中心区域为纳米线结构，周围分布11根由宽到窄的渐变电极，最宽处0.7mm，连接外部电路，最窄处0.01mm，连接纳米线。

5.根据权利要求1所述的基于双线结构消减SNSPD暗计数的设计，其特征在于，所述超导纳米线单光子探测器SNSPD，包括：采用磁控溅射沉积NbN薄膜、电子束曝光制备纳米线条、反应离子刻蚀转移纳米线条、紫外光刻制备金电极、等离子增强化学气象沉积制备上层反射腔、磁控溅射生长上层金反射层的工艺制备纳米线，使用扫描电子显微镜观察纳米线表面形貌，若纳米线边缘清晰、线条粗糙度小，则符合设计要求。

6.根据权利要求1所述的基于双线结构消减SNSPD暗计数的设计，其特征在于，所述调节偏置电流接近超导临界电流，包括：断开一根纳米线不工作，测量另一根纳米线的伏安特性，在200mK温度下，使两根纳米线的超导临界电流为11.7uA，回滞电流为2.0uA。

7.根据权利要求1所述的基于双线结构消减SNSPD暗计数的设计，其特征在于，所述经电压比较器和异或门，包括：将2路包含光子响应信号和暗计数信号的脉冲信号输入电压比较器，整形成TTL信号输入异或门，将暗计数导致的两路高电平信号输出为低电平，将没有光子响应导致的两路低电平信号输出为低电平，将光子响应导致的一路高电平、一路低电平的信号输出为高电平。

说明书

技术领域

本发明属于超导单光子探测技术领域，具体涉及一种暗计数消减技术。

背景技术

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)是一种高效、快速、准确的探测单光子的新型光探测器，感光部分为使用超导薄膜材料制成的纳米线蜿蜒结构。

探测器工作时，被偏置在稍低于其超导临界电流的位置，当纳米线吸收光子后，吸收区域的超导态被破坏，产生热岛，热岛区域在电流焦耳热的协助下，增长到一定范围，经纳米线自身和衬底的冷却，热岛消失，纳米线恢复到初始状态。

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，通过将此脉冲信号放大，探测器就可以鉴别单光子的到达。

暗计数(Dark Count Rate，DCR)是指，在没有光子入射时，SNSPD输出的响应脉冲，标志着SNSPD器件的本底噪声，一般将SNSPD的暗计数分为背景辐射暗计数和本征暗计数，背景辐射暗计数主要是光纤的背景热辐射和外界干扰造成的，本征暗计数的成因目前还没有得到明确的实验证实，理论物理学家们围绕这个问题，给出了不同的解释。

目前大家比较能接受的暗计数的形成，有基于磁通-反磁通破对和基于纳米线边界磁通穿越两种，背景辐射暗计数一般在低偏置电流时起作用，计数率相对较低，一般为几到几十Hz，本征暗计数在偏置电流接近超导临界电流时起作用，计数率相对较高，而且随着电流增加，本征暗计数剧烈增加。

暗计数会降低系统的信噪比，降低SNSPD输出信号的可靠性，当SNSPD应用于通信系统中，DCR会大大增加系统的误码率，因此，降低SNSPD暗计数一直是研究的热门方向。

对于背景辐射暗计数，目前常用的方法主要是，在低温下采用光纤滤波器的方式，消除背景辐射，而对于本征暗计数，目前为止还没有比较好的通用方法。

发明内容

本发明为了解决现有技术存在的问题，提出了一种双线结构SNSPD器件，制备2根相互缠绕而又不相交叉的纳米线，为了实现上述目的，通过器件的独特性能，结合外部电路的处理，能够有效的抑制SNSPD系统本征暗计数的影响，本发明采用了以下技术方案。

将2根氮化铌纳米线不交叉的相互缠绕，构成双线结构的超导纳米线单光子探测器SNSPD，用一根纳米线调控另一根纳米线的行为，调节偏置电流接近超导临界电流；采用光纤将光信号引入探测器光敏区，通过2根纳米线分别输出2路信号，使两根纳米线之间的暗计数相互激发，经电压比较器和异或门，消减暗计数信号，保留光子响应信号。

进一步的，将两根氮化铌纳米线不交叉的相互缠绕，包括：将2根纳米线并排排列，从左到右的长度为10至20μm，宽度为50～80nm，厚度设计为5～8nm，2根纳米线的最小间距为50～120nm,最大间距为300～400nm，缠绕周期为9～20次。

纳米线转角处的外部纳米线包围内部纳米线，转角内部半径为200～250nm，外部半径为300～400nm.单根线条宽度80nm，2根纳米线使用4根电极分别引出，缠绕周期为9次。

纳米线芯片边长5mm，中心区域为纳米线结构，周围分布11根由宽到窄的渐变电极，最宽处0.7mm，连接外部电路，最窄处0.01mm，连接纳米线。

进一步的，采用磁控溅射沉积NbN薄膜、电子束曝光制备纳米线条、反应离子刻蚀转移纳米线条、紫外光刻制备金电极、等离子增强化学气象沉积制备上层反射腔、磁控溅射生长上层金反射层的工艺制备纳米线，使用扫描电子显微镜观察纳米线表面形貌，若纳米线边缘清晰、线条粗糙度小，则符合设计要求。

进一步的，断开一根纳米线不工作，测量另一根纳米线的伏安特性，在200mK温度下，使两根纳米线的超导临界电流为11.7uA，回滞电流为2.0uA。

保持2根纳米线之间的光响应不耦合，使一根纳米线将自身的本征暗计数耦合到另一根纳米线，在时序上同时输出。

将2路包含光子响应信号和暗计数信号的脉冲信号输入电压比较器，整形成TTL信号输入异或门，将暗计数导致的两路高电平信号输出为低电平，将没有光子响应导致的两路低电平信号输出为低电平，将光子响应导致的一路高电平、一路低电平的信号输出为高电平。

本发明通过使用双线结构SNSPD独特性能，能有效抑制探测器暗计数的产生，后期通过工艺提升，进一步提高SNSPD暗计数的耦合效率，有望实现完全抑制SNSPD系统的暗计数，极大提升探测器的信噪比。

附图说明

图1是双线结构SNSPD和传统SNSPD在结构上的区别，图2是纳米线的转角设计，图3是双线结构纳米线芯片结构，图4是纳米线的偏置IV特性曲线，图5是双线结构消减暗计数的电路设计，图6是暗计数的增长曲线，图7是暗计数的耦合波形，图8是光响应的增长曲线，图9是纳米线的制备流程，图10是探测器输出脉冲，图11是两种暗计数在器件上的反映，图12是纳米线表面形貌。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案做具体的说明。

双线结构SNSPD是由两根相互缠绕而又不交叉的氮化铌(NbN)纳米线构成的器件，双线结构SNSPD与传统的纳米线结构不同之处在于，传统的纳米线为单根纳米线缠绕。

探测器工作时被偏置在稍低于其超导临界电流的位置，当纳米线吸收光子后，吸收区域的超导态被破坏，产生热岛，热岛区域在电流焦耳热的协助下增长到一定范围，随后经过纳米线自身和衬底的冷却，热岛区域消失，纳米线恢复到初始状态，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，通过将此脉冲信号放大，探测器就可以鉴别单光子的到达，探测器输出脉冲如图10所示。

背景辐射暗计数一般在低偏置电流时起作用，计数率相对比较低，一般为几到几十Hz，本征暗计数在偏置电流接近超导临界电流的时候起作用，计数率相对较高，而且随着电流增加，本征暗计数剧烈增加，两种暗计数在器件上的具体反映如图11所示。

双线结构SNSPD和传统SNSPD的区别如图1所示，为了叙述方便，将两根纳米线的编号分别定义为1号和2号。

两根纳米线并排排列，从左到右的长度设计为10～20μm，纳米线的线宽设计为50～80nm，纳米线的最短间距设计为50～120nm,最长间距设计为300～400nm，厚度设计为5～8nm，缠绕周期设计为9～20次。

纳米线的转角处设计如图2所示，外部的纳米线包围内部的纳米线，转角内部半径设计为200～250nm，外部半径设计为300～400nm.单根线条宽度80nm，两根纳米线使用4根电极分别引出，缠绕周期设计为9次，避免超导电流的拥挤效应。

双线结构纳米线芯片结构如图3所示，芯片边长5mm，中心区域为纳米线结构，周围为11根金电极，实际使用的只有1、3、9、11四根电极，其他电极备用，电极由宽到窄，设计为渐变结构，最宽处0.7mm，连接外部电路，最窄处0.01mm，连接纳米线。

纳米线制备流程如图9所示，磁控溅射沉积NbN薄膜、电子束曝光制备纳米线条、反应离子刻蚀转移纳米线条、紫外光刻制备金电极、等离子增强化学气象沉积(PECVD)制备上层反射腔、磁控溅射生长上层金反射层，纳米线制备完成后，使用扫描电子显微镜观察纳米线表面形貌，如图12所示，若纳米线边缘清晰、线条粗糙度小，则符合设计要求。

器件制备完毕，表征纳米线的IV特性曲线，如图4所示，一根纳米线不工作，测量另一根纳米线的伏安特性，在200mK温度下，两根纳米线的超导临界电流为11.7uA，回滞电流为2.0uA。

使用双线结构SNSPD中的一根纳米线来调控另一根纳米线的行为，如暗计数、IV特性、光响应等特征，调节偏置电流接近超导临界电流，保持光响应不耦合，使1号纳米线将自身的本征暗计数耦合到2号纳米线。

如图6所示，在50mK温度时，当1号纳米线的偏置电流从11.5uA变化到12uA时，产生的基本都是本征暗计数，纳米线2的暗计数增加量分别以不同的增长速率以S型曲线增长。

在纳米线2的偏置电流接近临界电流时，DCR增量接近饱和，将1号纳米线的暗计数一定时，2号纳米线暗计数增加量与1号纳米线暗计数的比值，定义暗计数耦合效率η12。

暗计数耦合效率约为0.5，也就是说，约有一半的1号纳米线的本征暗计数能激发2号纳米线产生相应的DCR。

如图7所示，示波器捕捉到暗计数相互耦合的波形，两根纳米线之间的暗计数同时出现在示波器中，在时域上，两根纳米线的暗计数几乎同时出现，时间差在1ns以下。

与暗计数能相互耦合的情况所不同的是，1号纳米线的光响应基本不能增加2号纳米的光响应计数率，如图8所示，2号纳米线随着1号纳米线偏置电流变化的光响应变化，所用光强为13pW，光波长为1064nm，器件所处温度为2.5K，2号光响应随着1号光响应的增加没有明显的增长趋势，两根纳米线之间的光响应基本没有耦合现象。

利用双线结构SNSPD中，纳米线之间的暗计数存在耦合，耦合效率为50％，而光响应不存在耦合的现象，设计电路如图5所示，采用光纤将光信号引入探测器光敏区，使探测器工作在2.5K的温度环境。

通过2根纳米线分别输出2路信号，用1号和2号脉冲分别表示，信号中包含光子响应信号和暗计数信号；将2路信号输入电压比较器，整形成TTL信号，用4号和5号脉冲表示SNSPD输出的暗计数信号，3号和6号脉冲表示光子响应信号，将2路信号输入异或门。

由于两根纳米线之间的暗计数相互激发，在时序上同时输出，而光子响应不会相互影响，在时序上随机输出，利用异或门的逻辑运算，两路信号同时为高电平的时候，异或门输出为低电平，对应暗计数的情况；两路信号只有一路为高电平的时候，异或门输出为高电平，对应光子响应的情况；两路信号都为低电平的时候，异或门输出为低电平，对应没有光子响应，也没有暗计数的情况。

通过这样的方式，在异或门输出端，有效抑制SNSPD的暗计数输出，最终输出只有3号和6号脉冲，也就是光子响应信号。

上述作为本发明的实施例，并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

一种基于双线结构消减SNSPD暗计数的设计专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。