大口径超导弱光接收的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种大口径超导弱光接收机，包括光纤和超导探测器，依序设置于所述光纤和超导探测器之间的与准直透镜和光束压缩单元；所述光束压缩单元包括若干个依序设置并与所述光纤同轴固定的光学元件；沿光子传输的方向，光学元件的数值口径逐渐增大。本发明的探测范围是15-200微米，可以提高超导探测器对于空间分布较大的光信号检测的系统效率，并可以将现有的单模光纤耦合模式提高到多模光纤耦合模式，因此大大提高了超导探测器对空间光子探测的系统性能，促进其在荧光检测、空间通信等基础研究、工业和国防等领域的应用。
【专利说明】大口径超导弱光接收机
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种弱光探测系统，特别是一种大口径超导弱光接收机及其相应的低 温系统和测量电路。
【背景技术】
[0002] 超导单光子检测是一种基于超导薄膜的单光子检测技术，具有恢复时间短、暗计 数低、小信噪比高和检测电路简单优点。
[0003] 由于超导材料的临界温度都很低，用于制备超导单光子检测器的超薄氮化铌薄膜 的临界温度仅l〇k左右，因此其工作温度通常都要到液氦温区。探测区域都在低温环境，所 以必须要把光子传输到低温环境，还要把信号从低温环境输出。
[0004] 由于超导纳米线单光子探测器的探测区域为蜿蜒结构的超导纳米线，探测面积越 大，器件纳米线的长度就越长，器件动态电感越大，器件的探测速度就越低。与此同时，提高 器件面积还会呈几何级数降低器件成品率，大大增加器件制备难度。因此，通常超导纳米线 单光子探测器的探测区域都小于等于10微米X10微米。该尺寸仅能够满足高度汇聚光束 探测，并兼容单模光纤耦合系统，不能满足自由空间光子探测，严重限制了超导纳米线单光 子探测器的应用。
[0005] 将光束压缩是一种改善光子耦合的方法。但是，对于超导纳米线单光子探测器，芯 片处于低温系统，由于超导单光子探测器的低温系统空间有限，不能安装常规光学透镜，更 无法在低温系统中微调光路，并且自由光路可能传输辐射导致低温系统的不稳定。
[0006] 因此，常规光束压缩并不能应用与超导纳米线单光子探测器。
【发明内容】
[0007] 发明目的：提供一种大口径超导弱光接收机，以解决现有技术探测范围小、系统效 率低的缺陷。
[0008] 技术方案：一种大口径超导弱光接收机，包括光纤和超导探测器，依序设置于所述 光纤和超导探测器之间的与准直透镜和光束压缩单元； 所述光束压缩单元包括若干个依序设置并与所述光纤同轴固定的光学元件；沿光子传 输的方向，光学元件的数值口径逐渐增大。
[0009] 所述光束压缩单元由凹透镜、凸透镜、凹面反射镜和凸面反射镜依序组合而成。
[0010] 所用光学元件的工作温度区间为〇. 1-100K。所述探测器检测区域的尺寸为压缩光 斑尺寸的0. 1-10倍。所述光学元件为直径不大于15cm的无机材料或金属材料做成的微透 镜。所述光纤的数值孔径为〇. 1-0. 2 ;所述准直透镜的数值孔径为0. 1-0. 5 ;所述光学元件 的数值孔径为〇. 1-0. 86。
[0011] 本发明实现了真空低温等极端环境下多模光纤到超导纳米线单光子探测器的高 效率光子稱合；通过多模光纤和光学兀件实现自由空间光子的传输与光束压缩，实现超导 纳米线单光子探测器大口径光接收。
[0012] 有益效果：本发明的探测范围是15-200微米，可以提高超导探测器对于空间分布 较大的光信号检测的系统效率，并可以将现有的单模光纤耦合模式提高到多模光纤耦合模 式，因此大大提高了超导探测器对空间光子探测的系统性能，促进其在荧光检测、空间通信 等基础研究、工业和国防等领域的应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1是本发明的结构示意图。
【具体实施方式】
[0014] 如图1所示，本发明大口径超导弱光接收机主要包括用于光子传输的多模光纤、 光子耦合和超导芯片，还包括相应的低温系统和测量电路。其中，多模光纤、光学系统和超 导芯片设置于低温温环境中。
[0015] 多模光纤在400_1700nm波段，光信号的时间抖动小于5ps。光子通过多模光纤传 输，并数据口径渐增的透镜对光束进行准直和压缩，对多模光纤50微米的芯径实现25微米 的压缩，然后将聚焦后的光斑射入超导探测器探测区域。
[0016] 超导单光子探测器设置于低温系统内，可工作在红外、可见和紫外波段，对接收的 荧光信号进行探测。低温系统为超导单光子探测器提供1-5K工作环境，使超导单光子探测 器的工作环境稳定。低温系统包括GM制冷机、液気、脉管制冷机、He3制冷机或者稀释制冷 机，确保低温系统的温度复合要求。
[0017] 超导单光子探测器内包括读出电路，读出电路包括依次电路连接的低噪声前置放 大器、衰减器、功率合成器和功率放大器。超导纳米线通过超导单光子探测器的RF输出的 光子响应信号首先通过一个低噪声前置放大器进行信号放大，这里的这个低噪声前置放大 器还有一个重要的功能是阻抗匹配，防止超导单光子探测器的RF端的信号反射导致超导 纳米线工作不稳定，该低噪声前置放大器的增益可以通过其电源微调，衰减器也可以控制 前置放大器输出信号的幅度。超导探测器输出信号对应入射光子信号。上述整个系统的口 径为50微米，利用本发明，可根据需要进一步增加或降低光学系统的口径，保证耦合效率 >85%。
[0018] 在上述实施例中，光子通过多模光纤接受入射光子信号，由于多模光纤较常规超 导探测器的耦合光纤（单模），芯径大大提高，因此易于和其他应用系统兼容。通过多模光 纤收集的光子通过光纤穿过大气压-真空层和室温-低温层，通过若干光学元件实现光束 压缩。
[0019] 在上述实施例中，本发明包含但不限于所列举实例。如将50微米多模光纤输出光 束压缩到25微米后的光斑，除适用于耦合效率大于85%的15微米器件外，仍然适用于30 微米的器件，耦合效率较常规单模光纤耦合提高约9倍。
[0020] 在上述实施例中，多个光学元件等效为一个成像系统，光纤出光口位于物平面，探 测器检测区域位于像平面。光纤出光口映射到探测器检测区域上，成一个缩小的像，对应的 光束实现汇聚。
[0021] 具体地，可以采用几何光学近似计算这些光学元件聚焦效果。如果假设整个光学 系统的等效物距等效像距i和等效焦距/。则这些参数满足公式1//=1/0 +l/i，整个光 学系统的放大倍率为i/〇。因此，如果采用50微米多模光纤的纤芯，放大倍率为0. 5,则汇 聚后的光斑尺寸约25微米。根据这一汇聚尺寸，设计超导探测器的探测区域大小在25微 米量级。这样，整个系统即可实现多模与低温超导探测器的高效率传输耦合。由于结合其 他技术手段，可以将更大尺寸的光斑压缩并耦合到多模光纤，因此该发明解决超导探测器 光子耦合难题。
[0022] 在其他实施例中，各元件的数值孔径范围是：多模光纤：0. 1-0. 25,准直透镜： 0. 1-0. 5,光学兀件：0. 1-0. 86,并且满足多模光纤〈准直透镜〈光学兀件条件。例如多模光 纤0. 22,准直透镜0. 26,光学元件0. 36。
[0023] 为了解决低温系统空间问题，本项目采用了微透镜，透镜的直径小于1cm，并且同 轴固定，确保了 300K大温差变化热胀冷缩不影响光耦合。
[0024] 通过系统设计，实现了微透镜系统压缩光束，实现器件的高效率耦合，大大提高了 器件系统效率。通过本发明，可以将弱光检测的口径提高到50微米以上。通过光束压缩后， 多模光纤耦合系统效率高达85% ;通过单模光纤耦合系统效率超过50%。实验表明，该方案 不会导致背景辐射增加暗计数和低温系统温度的稳定性。
[0025] 本发明通过将微透镜与多模光纤集成，通过光学设计实现光束压缩，结合同轴封 装方案，实现了超导纳米线单光子探测器光束压缩并高效率光子耦合，保证了在该低温真 空等特殊环境中的稳定工作。
[0026] 以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中 的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这 些等同变换均属于本发明的保护范围。
[0027] 外需要说明的是，在上述【具体实施方式】中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾 的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能 的组合方式不再另行说明。
【权利要求】
1. 一种大口径超导弱光接收机，包括光纤和超导探测器，其特征在于，还包括依序设置 于所述光纤和超导探测器之间的与准直透镜和光束压缩单元； 所述光束压缩单元包括若干个依序设置并与所述光纤同轴固定的光学元件；沿光子传 输的方向，光学元件的数值口径逐渐增大。
2. 如权利要求1所述的大口径超导弱光接收机，其特征在于，所述光束压缩单元由凹 透镜、凸透镜、凹面反射镜和凸面反射镜依序组合而成。
3. 如权利要求2所述的大口径超导弱光接收机，其特征在于，所用光学元件的工作温 度区间为0. 1-100K。
4. 如权利要求1至3任一项所述的大口径超导弱光接收机，其特征在于，所述探测器检 测区域的尺寸为压缩光斑尺寸的0. 1-10倍。
5. 如权利要求1或2或3所述的大口径超导弱光接收机，其特征在于，所述光学元件为 直径不大于15cm的无机材料或金属材料做成的微透镜。
6. 如权利要求5所述的大口径超导弱光接收机，其特征在于，所述光纤的数值孔径为 0. 1-0. 2 ;所述准直透镜的数值孔径为0. 1-0. 5 ;所述光学元件的数值孔径为0. 1-0. 86。
【文档编号】H04B10/67GK104052552SQ201410265234
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月13日 优先权日:2014年6月13日
【发明者】张蜡宝, 康琳, 陈健, 吴培亨 申请人:南京大学