一种双超导线耦合器

1.本发明属于超导电子学领域，具体为一种双超导线耦合器。


背景技术：

2.超导体指的是一类在低温下电阻率极低的导体，电阻率通常低于10-18
ωm，此外， 超导体还具有完全抗磁性。使用维纳加工工艺，可以将超导材料制备成具有特殊功能的 超导电子器件，包括约瑟夫森结、超导纳米线单光子探测器(snspd)等。约瑟夫森结由 两个超导体构成，它们被一层非常薄的绝缘介质隔开，由于约瑟夫森效应，电子能够隧 穿绝缘层，形成隧穿电流。约瑟夫森结可以构成超导量子干涉仪，能对磁场信号进行高 精度测量，能探测低至10-11
高斯的微弱磁场。
3.超导纳米线单光子探测器(snspd)可以应用在量子通信、光量子计算机、深空激光 通信、红外成像、激光雷达等涉及到单光子或者高速弱光检测的技术领域。相比于传统 的半导体探测器与光电倍增管，超导纳米线单光子探测器(snspd)具有探测效率高、暗 计数低、探测速度快等优点。一般使用“热点模型”解释超导纳米线单光子探测器(snspd) 的工作原理：光子入射在纳米线上，破坏了大量库珀电子对，导致准粒子扩散和磁涡旋 穿越，纳米线局部形成“热点”，偏置电流被挤压到热点以外的区域。热点在电流的加热 作用下持续长大，最终导致纳米线完全跳变到电阻态，随后在衬底的散热作用下纳米线 逐渐恢复超导态。整个光子探测过程中，纳米线上的传导电流周期性的变化，并在外部 电路上形成可供检测的电压脉冲信号。使用传统的常温读出电路，外部电路探测到的电 压脉冲幅值v
p
与探测器的偏置电流ib的关系可以描述如下：
[0004]vp
＝(i
b-ir)
×g×rꢀꢀ
(2)
[0005]
式中，ir为回滞电流，g为放大器的增益，r为外部电路放大器输入端的阻抗，一 般为50ω。从式(2)中可以看出snspd输出的电压脉冲信号与其偏置电流、回滞电 流和读出电路增益有关，无法反应出探测器接收光子的数量和能量等信息。此外，常规 的常温读出电路随着snspd像元数增加，需要引入大量的同轴电缆线，增大了热负载， 不适用于大阵列snspd的读出方案。为了降低热负载效应，研究人员开发了snspd的 片上读出电路，包括低温读出电路、量子读出电路等，然而这些都需要复杂的微纳制备 工艺，需要集成低温数字电路，当snspd像元数增加时，读出电路工艺复杂度也会大 幅上升。


技术实现要素：

[0006]
发明目的：为实现对输入端小信号的放大和读出，本发明基于超导体特殊性能，提 出了一种双超导线耦合器，该双超导线耦合器使用2根相互并行、不交叉的纳米线分别 作为信号的输入端和输出端，双线之间填充绝缘电介质。利用超导体对温度变化的高灵 敏特征，以及超导转变时电阻值的突变，本发明的双超导线耦合器可实现对输入端小信 号的放大和读出，能将小电流信号(《10μa)放大为大电阻信号(》100kω)；以及为了 解决现有读出电路无法适用于大阵列snspd的读出的问题，本发明还提出了一种基于 双超导线耦合器的
号输入端，双超导线耦合器的信号输出端进入电阻态；
[0025]
通过采集双超导线耦合器的信号输出端的电阻r，实现对阵列snspd的光子响应信 号进行读出。
[0026]
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
[0027]
(1)由于超导体对热敏感度高，因此本发明的双超导线耦合器具有高灵敏、低噪 声等特征，同时，本发明的双超导线耦合器的功耗低至100～101μw，其输入、输出端填 充绝缘介质层，电隔离度高，避免了相互串扰；
[0028]
(2)在器件制备时，本发明的双超导线耦合器的输入、输出端在同一层，无需制 备低温数字电路，具有工艺简单、稳定性高等优点；
[0029]
(3)使用本发明的双超导线耦合器进行snspd信号读出，具有光子空间位置分辨 能力，该双超导线耦合器与snspd均处于自由工作模式，避免了相互影响；
[0030]
(4)本发明的双超导线耦合器具有功耗低、隔离度高等特点，可以用于构成超导 谐振器。
附图说明
[0031]
图1(a)为双超导线耦合器基本结构示意图，图1(b)为片上结构设计示意图(横截面)；
[0032]
图2(a)为双超导线耦合器可拓展为多输入-单输出结构，图2(b)为输出端的电阻与 失超部分的长度关系图，呈良好的线性关系，横坐标为失超部分长度，纵坐标为电阻值；
[0033]
图3为以单通道snspd为例，使用双超导线耦合器实现snspd信号片上读出功能 示意图；
[0034]
图4为使用双超导线耦合器实现阵列snspd信号片上读出功能示意图，其中，r 表示失超后产生的电阻值；
[0035]
图5为双超导线耦合器扫描电子显微镜照片，包括4个输入端和1个输出端，4个 输入端耦合长度比为1:2:4:8；
[0036]
图6为系统测试原理图；
[0037]
图7为双超导线耦合器输出端i-v曲线；
[0038]
图8为使用示波器观察各个互感器通道探测到的光子计数脉冲示意图，输入信号为 幅值为40μa的脉冲电流；
[0039]
图9为改变光照强度，统计双超导线耦合器不同通道探测到的snspd光子探测效 率示意图。
具体实施方式
[0040]
现结合附图和实施例进一步阐述本发明的技术方案。
[0041]
本发明的双超导线耦合器的基本结构如图1(a)所示，其由2根并行、不交叉的超导 纳米线组成，分别构成互感器的输入端和输出端。如图1(a)所示，2号超导纳米线作为 输入端，1号超导纳米线为输出端。当2号超导纳米线由超导态跳变到正常态时(也称 为失超)，由于热耦合的影响，导致1号超导纳米线也进入电阻态，电阻值由100～101ω 跳变到105～106ω，1号超导纳米线电阻值的显著变化，可以在外电路上读出。
[0042]
本发明的双超导线耦合器的横截面结构如图1(b)所示，超导纳米线使用厚度为5～10 nm的氮化铌(nbn)薄膜，经过电子束曝光、反应离子刻蚀等工艺制备而成；衬底使用氮 化硅或者氧化硅，工作温度为2.1～3k。输入和输出超导纳米线的间距为80～120nm，中 间填充一层氮化硅作为导热介质层，以增加热传导能力，使用金制备电极以读出1号超 导纳米线的电阻信号。
[0043]
基于双超导线耦合器的上述特性，可以利用如图1(a)所示的双超导线耦合器，实 现单通道snspd的片上读出功能。具体电路原理如图3所示。图3中的vs是直流电源， 经过100kω的电阻(rs)转化为偏置电流ib输入到snspd中。l0和c0组成bias-tee(直 流偏置束)，隔离电阻r0＝200ω，以实现snspd和双超导线耦合器的偏置电流隔离。i
b1
为双超导线耦合器输入端的偏置电流，i
b2
为双超导线耦合器输出端的偏置电流。当 snspd响应光子后，产生的电流脉冲输入到双超导线耦合器的输入端，使输入端失超， 在热耦合的作用下，输出端也进入电阻态，采集输出端的电阻值就能记录下snspd的 光子数。
[0044]
在图1(a)基础上，可以把本发明的双超导线耦合器扩展至多元输入、单元输出的互 感器，如图2(a)所示。扩展后的输入端由1,2～n个独立的超导纳米线构成，输出端只需 要使用1根超导纳米线。如图2(b)所示，输出端电阻与输出端失超部分的长度呈现出良 好的线性关系，即输出端电阻r＝lr
sheet
，其中l为输出端失超部分的长度，r
sheet
为超导 纳米线的方块电阻。因此当输入端不同数量的纳米线失超时，由于输出端会分段跳变到 电阻态，因此输出端的电阻能反映出输入端不同超导纳米线跳变的组合。
[0045]
基于多通道双超导线耦合器的上述特性，可以利用如图2(a)所示的多通道双超导 线耦合器，将阵列snspd和如图2(a)所示的多通道双超导线耦合器耦合读出，就能 实现阵列snspd的片上读出功能，即能读出各个snspd通道的光子数。
[0046]
由于输出端电阻与输出端失超部分的长度呈现出良好的线性关系，即输出端电阻 r＝lr
sheet
，其中l为输出端失超部分的长度，r
sheet
为超导纳米线的方块电阻。因此可以 通过调节输入和输出端相互耦合的纳米线长度，就能精准控制输出端失超时的电阻值。 进而，当知晓输出端失超时的电阻值后，即可知晓输入端不同超导纳米线的响应情况。
[0047]
因此，本发明将双超导线耦合器的输入端超导纳米线、输出端超导纳米线制备成不 同的耦合长度，具体为，将各输入端超导纳米线进行编号；将各输入端超导纳米线长度 比例设置在1:2:4:8:
……
:2
i-1
；i为输入端超导纳米线的编号。
[0048]
当采用多通道双超导线耦合器耦合读出时，读出的电阻值和探测到光子的关系为：
[0049]
r＝r0∑2
i-1
ꢀꢀ
(1)
[0050]
式中，i表示探测到光子信号而跳变到正常态的输入端超导纳米线编号，r0为编号 为1的输入端超导纳米线跳变引起的电阻值，即长度最短的输入端超导纳米线跳变引起 的电阻值。
[0051]
由式(1)可知，探测到的电阻值和光子数量以及光子入射的位置是一一对应的， 由于输出端超导纳米线是分段跳变的，通过将各输入端超导纳米线长度比例设置为 1:2:4:8:
……
:2
i-1
，即可将输出端超导纳米线各段的电阻值控制为1:2:4:8
……
:2
i-1
的 比值，就能够对入射光子位置进行编码，称为电阻编码方法。若测量到的电阻值为3r0， 由公式(1)可知，3r0＝r0*(20+21)，即可知晓编号1的输入端超导纳米线和编号2的输 入端超导纳
米线同时响应。若如果测量到的电阻值为是7r0，7r0＝r0*(20+21+22)，即可 知晓编号1的输入端超导纳米线、编号2的输入端超导纳米线和编号3的输入端超导纳 米线同时响应。图4展示了本发明的电阻编码方法。
[0052]
综上，不同输入端超导纳米线由于阵列snspd产生的信号失超后，由公式(1)可知， 输出端超导纳米线能产生相对应的电阻值，对该电阻值进行读出，从读出的电阻值推知 输入端响应情况，即能分辨出产生光子响应的snspd像元，以实现入射光子的空间位 置分辨功能，也能处理多光子同时入射的情况。
[0053]
现以4通道双超导线耦合器为例，如图5所示，4个输入端超导纳米线的长度比例 设置为1:2:4:8，输出端失超产生的电阻也符合相同的比例。将4个输入通道连接相对应 的4阵列snspd像元，不同输入通道由于snspd产生的信号失超后，由公式(1)可知， 输出端能产生相对应的电阻值，即能分辨出产生光子响应的snspd像元，以实现入射 光子的空间位置分辨功能，也能处理多光子同时入射的情况。例如，如果测量到输出端 的电阻是3r0，那么就是1号和2号输入端响应，如果测量到的是5r0，那么就是1、3 号纳米线同时响应。
[0054]
实施例
[0055]
现以4输入双超导线耦合器为例，进一步阐述本发明的技术方案。制备出的器件扫 描电子显微镜照片如图5所示。双超导线耦合器输入端宽度为60nm，输出端宽度为70 nm，间距为80nm，4段输入端长度分别为40、80、160、320μm。
[0056]
将4阵列snspd与双超导线耦合器相连，置于2.3k的低温下。测量系统如图6 所示，snspd和双超导线耦合器置于低温下，光源(light source)经过可变衰减器 (attenuator)输入纳米线，使用电压源和bias-tee给纳米线和双超导线耦合器提供偏置电 流，使用低通滤波器(lpf)降低外界高频噪声对纳米线的影响，使用低噪声放大器(lna) 读出纳米线响应信号，输入示波器(oscilloscope)作为参考。
[0057]
系统降温到2.3k以后，双超导线耦合器输出端的i-v曲线如图7所示，在输入端 不施加电流时，输出端超导临界电流ic＝11μa，在输入端引入不同的热功率时候，输出 端ic降低至～4μa，说明本发明双超导线耦合器实现了电热耦合功能。使用10μa的输 入电流，测试不同失超长度下输出端的电阻值，如图2(b)所示，可以发现互感器失超电 阻分布在180～2500kω，实现了小电流到大电阻值的转变功能。
[0058]
现引入1310nm激光，初始功率设定为1.2μw，使用双超导线耦合器测量snspd 各个通道的计数率。使用示波器观察各个双超导线耦合器通道对应的光子计数脉冲，输 入信号为幅值为40μa的脉冲电流，如图8所示。接着，改变入射光功率，测量双超导 线耦合器输出端电阻，统计不同光强下各个双超导线耦合器通道对应的光子数量，结果 如图9所示。该双超导线耦合器能成功读出了各个snspd通道的光子数量，以及在多 光子同时入射时，也能分辨出各个光子触发的snspd像元。