专利名称：单光子探测器封装装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种封装装置，特别涉及一种单光子探测器封装装置。
背景技术：
近十年来，超导纳米线单光子探测器作为一种新型的单光子探测器被大家广泛关注。探测器的响应区域为用超导氮化铌薄膜制备出的几十纳米宽的蜿蜒线条。这些超导线条被偏置一低于超导临界电流的电流，当线条吸收光子后，吸收处局部温度升高，形成一热岛。热岛的存在使得线条上的电流重新分布，并最终超过超导临界电流从而使得局部区域形成电阻态。同时，由于膜条中声子、电子和衬底这三者间的热交换，形成的电阻态仅能持续很短时间，从而使得膜条在吸收光子，产生响应后重新回到预先的超导偏置状态，进而响应下一个光子。超导纳米线单光子探测器的制备和使用融合了超导材料、薄膜技术、微纳加工、微波测量等尖端技术并表现出优异的性能。首先，超导纳米线单光子探测器具有IOOMHz的重复频率和50ps的时间抖动，相比于半导体单光子探测器中常用的雪崩二极管和光电倍增管，在重复率上增加了约一个量级，在时间抖动上减少了一个量级。其次，半导体材料由于能带的限制，对于近红外波段的探测效率具有明显的截止波长，而超导材料由于能隙非常小，对于近红外波段的探测效率理论上可以远高于半导体材料。另外，由于探测器工作温度仅为几个K，超导纳米线探测器具有极低的暗计数，同时不需要像半导体探测器那样使用盖革(Ginger)模式工作，可以进行持续的探测。再者，相比于超导转换边界传感器 (transition edge sensor)和超导隧道结探测器来说，超导纳米线探测器的重复速率依然比他们高很多，同时对于工作温度也没有那么低的要求，检测电路也相对简单。基于超导纳米线单光子探测器突出的性能，近几年来，它被应用于量子保密通讯、 集成电路检测、生物荧光检测、单光子源标定、时间相关单光子计数等领域。尤其是在量子保密通讯中，使用超导纳米线单光子探测器后，通信的速度和距离都得到了显著的提升。对于这些应用来说，需要克服以下几个问题。首先，为用户提供一套低温环境。通常，液氦是最容易获得的制冷媒介，但如果仅将芯片浸置于液氦中，其工作温度也只能达到4. 2K。使用循环制冷机可以降低器件的工作温度并且持续工作，但其体积庞大，费用高且不易移动。再者，由于芯片工作于低温环境，而待检测光信号又非常微弱，因此光信号的耦合程度直接影响系统的检测效率和暗计数。最后，芯片的响应信号微弱，同时芯片处于低温环境，无法在芯片近端进行放大，因此芯片至常温放大这一段，电路上的连接必须保证信号的完整性。通常光电探测器所使用的晶体管外壳(TO)封装、蝶形封装难以实现高精度的光纤对准和高频信号传输，另外，这些封装多针对常温器件，无法适用于真空低温环境。
发明内容
发明目的针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种适用于真空低温环境的单光子探测器封装装置。
技术方案为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种单光子探测器封装装置，包括由上到下依次设置的顶杆、顶盖和底座；所述顶杆和顶盖固定连接，顶盖和底座也固定连接；所述顶盖上设有至少两个通孔，其中第一通孔穿过并固定光纤，第二通孔穿过电缆；所述底座的上表面对应光纤的位置固定单光子探测器芯片(以下简称芯片)，对应电缆的位置固定高频电路板，该超导纳米线单光子探测器芯片与高频电路板电连接。所述顶盖和底座分别可为两个同心半圆结构组成的圆形结构。所述第一通孔可为圆孔，第二通孔可为方孔。所述顶杆的上部可为圆柱体，下部可为两个平行的叉齿；所述顶盖的上表面可设有连接杆，该连接杆伸入两个所述叉齿之间并与所述叉齿固定连接。所述顶杆的材料可为聚甲醛，用于连接冷头部分(顶盖和底座均浸渍在液氦中， 称为冷头)同液氦抽气杜瓦内层测试杆末端，并隔绝冷头同测试杆之间的热传递，保持冷头的低温。所述圆孔内可固定有陶瓷环，该陶瓷环固定所述光纤。所述圆孔内可使用环氧快干胶固定所述陶瓷环。所述底座对应于所述圆孔位置的下方可设有第三通孔，用于显微镜观测光纤内芯与探测器响应区域相对位置；所述底座的侧面可设有第四通孔，根据显微镜的观测结果，使用金属细针伸入该通孔移动芯片，实现光纤和芯片的对准。所述高频电路板可设有第一高频连接器，所述电缆的一端可设有第二高频连接器，该第一高频连接器连接第二高频连接器。所述顶杆的上部圆柱体的侧面可设有一凹槽，所述电缆可由该凹槽内伸出。有益效果本发明适用于单光子探测器的封装，特别适用于超导纳米线单光子探测器在液氦抽气杜瓦下使用。结构紧凑，能够在20mm内径内实现双通道光电封装；使用光纤耦合外部被探测光，耦合效率大于95%并且干扰小；使用微带线共面波导和SMP高频接头连接芯片，提高了芯片输出电信号至外部放大器的传输性能；采用对称结构设计，方便组合，提高其重复使用效率。
图1为单光子探测器封装装置结构示意图2为顶杆的主视示意图3为顶杆的左视示意图4为顶杆的俯视示意图5为顶盖的俯视示意图6为顶盖的主视示意图7为底座的主视示意图8为底座的俯视示意图9为显微镜下拍摄的对光效果图10为电缆S21参数的测试结果图11为使用本发明的超导纳米线单光子探测器的检测效率和暗计数的测试结果图。
附图中，1 第一通孔；2 叉齿；3 第一螺孔；4 第一凹槽(即为权利要求和说明书发明内容的凹槽)；5 方孔(即为权利要求和说明书发明内容的第一通孔)；6 圆孔(即为权利要求和说明书发明内容的第二通孔)；7 第二通孔；8 第三通孔；9 第四通孔；10 第二凹槽；11 第三凹槽；12 第五通孔(即为权利要求和说明书发明内容的第三通孔)；13 第二螺孔；14:连接杆。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。本发明实施过程中包含四个部分，光纤的固定、高频电路板固定及信号引出、芯片固定和对光、安装。光纤一端需要固定在顶盖圆孔6内，如图5所示。为了达到既固定光纤又便于上下移动光纤末端同芯片之间垂直距离的目的，顶盖圆孔6内预先使用环氧快干胶固定一内径2. 5mm标准陶瓷环(图中未示出)，随后，将光纤剥去金属环后的尾纤缓缓插入陶瓷环内即可。另一端光纤，需要在FC金属环内侧垫上一内径为2. 5mm，截面直径为Imm的0型圈， 然后接到液氦抽气杜瓦外部接口处(图中未示出)。将设计好的高频电路板(图中未示出)使用环氧快干胶固定于底座上的第三凹槽 11处，确保SMP射频接头(图中未示出)在顶盖方孔5的正下方，以方便半柔电缆(即为权利要求和说明书发明内容的电缆)正确连接，如图7所示。半柔电缆一端为相应的SMP接头，用来连接高频电路板上的SMP接头，另一端为SMA密封接头，连接至液氦抽气杜瓦的接口处(图中未示出)。芯片(图中未示出)使用低温胶固定在底座上的第二凹槽10处，需保证芯片上的纳米线区域处于图5所示的圆孔处。随后，使用螺钉通过图5所示的第二通孔7和图8所示的第二螺孔13固定安装好陶瓷环的顶盖和安装好高频电路板的底座。对光时，先将光纤尾纤缓缓插入陶瓷环，并控制其与芯片表面的垂直距离大于1mm，另一端接一可见光激光源，本实例中使用的是绿光，如图9所示，虚线框内为纳米线区域，虚线框内的亮点为光纤内芯。通过底座的第五通孔12，使用显微镜观测光纤内芯同纳米线区域的相对位置，使用金属细针通过底座侧面的第四通孔9轻轻移动芯片，如图8所示。对准位置后，再将尾纤缓缓插入，使其端面尽量贴近芯片表面。对准后的效果如图9所示。对准后的芯片需要静置一段时间，使低温胶固化。将两块固定好的顶盖和顶座合成一个圆形，并将顶盖上的连接杆14插入聚甲醛顶杆的叉齿2内(如图2所示)，使用螺钉通过图3所示的第一螺孔3和图6所示的第三通孔8固定。电缆由顶杆侧面凹槽4内伸出(如图4所示)。将顶杆缓缓插入测试杆内(如图1所示)，调整前后距离，连接半柔电缆与底座上的高频电路板。随后使用螺钉通过顶杆上的第一通孔1和测试杆上的通孔(图中未示出)固定顶杆和测试杆。最后的成型图如图1所示。图10为使用网络分析仪测试的液氦抽气杜瓦内部半柔电缆的S21参数，说明在内部的电路连接上，并没有产生谐振点和断点，衰减情况也同使用的半柔电缆的衰减系数相吻合。图11为使用此封装测试的超导纳米线探测器的探测效率和暗计数，较好的反应了芯片的本征特性，达到了应用的标准。
权利要求
1.一种单光子探测器封装装置，包括由上到下依次设置的顶杆、顶盖和底座；所述顶杆和顶盖固定连接，顶盖和底座也固定连接；所述顶盖上设有至少两个通孔，其中第一通孔穿过并固定光纤，第二通孔穿过电缆；所述底座的上表面对应光纤的位置固定单光子探测器芯片，对应电缆的位置固定高频电路板，该单光子探测器芯片与高频电路板电连接。
2.根据权利要求1所述单光子探测器封装装置，其特征在于所述顶盖和底座分别为两个同心半圆结构组成的圆形结构。
3.根据权利要求1所述单光子探测器封装装置，其特征在于所述第一通孔为圆孔，第二通孔为方孔。
4.根据权利要求1所述单光子探测器封装装置，其特征在于所述顶杆的上部为圆柱体，下部为两个平行的叉齿；所述顶盖的上表面设有连接杆，该连接杆伸入两个所述叉齿之间并与所述叉齿固定连接。
5.根据权利要求1所述单光子探测器封装装置，其特征在于所述顶杆的材料为聚甲
6.根据权利要求3所述单光子探测器封装装置，其特征在于所述圆孔内固定有陶瓷环，该陶瓷环固定所述光纤。
7.根据权利要求6所述单光子探测器封装装置，其特征在于所述圆孔内使用环氧快干胶固定所述陶瓷环。
8.根据权利要求3所述单光子探测器封装装置，其特征在于所述底座对应于所述圆孔位置的下方设有第三通孔，所述底座的侧面设有第四通孔。
9.根据权利要求1所述单光子探测器封装装置，其特征在于所述高频电路板设有第一高频连接器，所述电缆的一端设有第二高频连接器，该第一高频连接器连接第二高频连接器。
10.根据权利要求4所述单光子探测器封装装置，其特征在于所述顶杆的上部圆柱体的侧面设有一凹槽，所述电缆由该凹槽内伸出。
全文摘要
本发明公开了一种单光子探测器封装装置，包括由上到下依次设置的顶杆、顶盖和底座；所述顶杆和顶盖固定连接，顶盖和底座也固定连接；所述顶盖上设有至少两个通孔，其中第一通孔穿过并固定光纤，第二通孔穿过电缆；所述底座的上表面对应光纤的位置固定单光子探测器芯片，对应电缆的位置固定高频电路板，该单光子探测器芯片与高频电路板电连接。本发明结构紧凑，能够在20mm内径内实现双通道光电封装；使用光纤耦合外部被探测光，耦合效率大于95％并且干扰小；使用微带线共面波导和SMP高频接头连接芯片，提高了芯片输出电信号至外部放大器的传输性能；采用对称结构设计，方便组合，提高其重复使用效率。
文档编号H01L31/09GK102324444SQ20111025292
公开日2012年1月18日 申请日期2011年8月30日 优先权日2011年8月30日
发明者吴培亨, 康琳, 张蜡宝, 许伟伟, 赵清源, 陈健 申请人:南京大学