超导单光子探测器及封装方法技术

本发明专利技术公开了一种超导单光子探测器，包括：芯片固定平台、光纤固定平台、对光系统。本发明专利技术还公开了一种基于上述超导单光子探测器的封装方法，包括以下步骤：（ａ）将芯片的探测区域对准芯片固定平台的中间小孔；（ｂ）固定尾纤，并通过光纤的另外一个接口输入一可见参考光；（ｃ）在对光系统观察下，微调光纤出光口和芯片探测区域之间的位置，将光纤固定平台和芯片固定平台固定；本发明专利技术的单光子探测器可工作在１．８Ｋ－３００Ｋ温度范围，升降温度不会影响光束和器件的对准；利用本发明专利技术的超导单光子探测器和方法封装好的探测器光子耦合效率高、工作稳定、可靠性高，可用于多次测量，可重复性好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种单光子探测器，特别涉及一种超导单光子探测器。另外，本专利技术还涉及 一种基于该超导单光子探测器的封装方法。
技术介绍
当超导薄膜远低于临界温度时，超导体处于超导态。在此时，如果给该薄膜通过上电流， 当电流高于某一值时，超导态就会被破坏而转变为正常态，这个电流就称为临界电流,单位截 面上通过的电流就成为临界电流密度。如果将超导薄膜加工成纳米条，置于远低于其临界温度 环境，并通上略低于低于临界电流的电流时，该超导纳米条对入射的光子就非常敏感，利用这 一原理人们专利技术了超导单光子检测器。超导单光子检测是一种基于超导薄膜的单光子检测技术，和常见的单光子检测器,如处于 盖格模式的雪崩二极管和光电倍增管等相比，其具有显著的优点。通常半导体的单光子检测 器检测到一个光子后恢复到初始状态的时间很长，通常在微秒量级，因此通常限制其检测光子 的速度在kHz量级。而超导单光子检测器的恢复时间通常在纳秒量级，比半导体的检测器高了 三个数量级,并且理论上超导单光子探测器的检测速率还可以进一步提高。在暗计数方面，超 导单光子探测器几乎没有暗计数，而半导体检测器的暗计数非常高，能够到几万甚至更高。另 外，由于半导体材料制备的探测器,其光谱相应范围都很窄，而超导单光子探测器很容易就能 够覆盖可见光到红外区域。超导单光子探测器还具有电流抖动小,信噪比高，检测电路简单等 等优点。除了上面这些优点外，超导单光子检测器也存在一些还待解决问题。首先就是其工作温 度，目前超导材料的临界温度都很低。目前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10k左右，因此其工作温度通常都要到液氦温区。因为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。与此同时，超导单光子探测器 的探测面积非常有限，通常都小于20微米X20微米(如果探测面积太大，由于超导材料本身 的动态电感，其重复速率会大大下降)，要将光子耦合到如此小的面积上是非常困难的。其次， 超导单光子检测器的拆卸与工作分别在室温和液氦温区，因此多次测量会升温降温，光耦合的对准，阻抗匹配等极易受到破坏，光子耦合效率低。从上述可以看出，器件的封装对于器件工作稳定性、可靠性和可重复性，以及充分发挥器 件的性能等方面具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种光子耦合效率高、工作稳定，高可靠性、可重复 性的超导单光子探测器。本专利技术还提供了一种基于上述超导单光子探测器的封装方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是 一种超导单光子探测器，其包括-芯片固定平台所述芯片固定平台中间有一小孔，在小孔的两边，芯片固定平台上设置 有凸台；在芯片固定平台的周围及凸台上设置有螺孔；-光纤固定平台所述光纤固定平台的一边设置有凹槽，光纤固定平台周围及中间设置有 小孔，位于光纤固定平台中间的小孔里面固定有陶瓷环，位于光纤固定平台周围的小孔与芯 片固定平台上凸台的的螺孔位置相对应；-对光系统所述对光系统包括显微镜、支架、样品台和显示屏；显微镜通过第二固定夹 倒置安装在支架下部，支架与第二固定夹间通过旋钮固定；样品台位于显微镜的上方，通过 第一固定夹安装在支架上部，其与第一固定夹间通过旋钮固定，样品台中间有一小孔，其边 缘设置有金属弹簧片；显微镜的底部安装有CCD， CCD与显示屏电连接。所述的芯片固定平台、光纤固定平台的材料为铜；所述超导单光子探测器的工作温度为 1. 8k-300k;所述显微镜放大倍数为100-1000倍，工作距离大于10mm。基于上述超导单光子探测器的封装方法，包括以下步骤(a) 、将芯片用低温胶固定在芯片固定平台中间，芯片的探测区域对准芯片固定平台的中 间小孔，保证可以从平台的背面透过小孔观察到该探测区域；(b) 、将光纤尾纤插入光纤固定平台的陶瓷环，固定尾纤，并通过光纤的另外一个接口 输入一可见参考光；(c) 、在对光系统观察下，微调光纤出光口和芯片探测区域之间的位置，将芯片的探测 区域和光纤的纤芯对准后，用螺丝固定光纤固定平台和芯片固定平台。本专利技术的超导单光子探测器体积小，使用方便，该超导单光子探测器可工作在1.8K-300K 温度范围，升降温度不会影响光束和器件的对准。利用本专利技术的超导单光子探测器和方法封装 好的探测器光子耦合效率高、工作稳定、可靠性高，器件性能稳定可用于多次测量，可重复 性好。 附图说明图1为本专利技术超导单光子探测器的芯片固定平台的结构示意图； 图2为本专利技术超导单光子探测器的光纤固定平台的结构示意图； 图3为本专利技术超导单光子探测器的对光系统的结构示意图4为芯片的探测区域和光纤的纤芯光对准后，光子耦合到芯片探测区域示意图； 图5为使用本专利技术的封装方法封装好的芯片和普通方式测量光子的结果示意图。 具体实施例方式下面结合具体实施例对本专利技术作详细的说明。一种超导单光子探测器，包括芯片固定平台l、光纤固定平台2和对光系统3。芯片固 定平台1如图1所示，芯片固定平台1可以由一整块铜块加工而成，整体可以呈方形,在方形 的上部有两块高出的凸台12,高出约3mm，两块凸台12之间的距离为约10mm。芯片用低温胶 固定在平台中间，芯片的探测区域对准芯片固定平台1的中间小孔ll,保证可以从平台的背面 透过小孔11观察到该探测区域。光纤固定平台2如图2所示，其可以由一整块铜块加工而成。光纤固定平台2中间有一 个小孔22，在小孔22中固定一陶瓷环，陶瓷环通过低温胶固定。光纤固定平台2四周分布有 小孔23，小孔23的间距的和芯片固定平台1上的相应孔的间距一致。小孔23可以为4个， 均匀分布在光纤固定平台2的四周；在光纤固定平台2的一边留有一个凹槽21。对光时,光 纤的另外一端输入亦可见参考光。对光系统3如图3所示，所述对光系统3包括显微镜31、支架32、样品台33和显示屏 34;支架32上包含两个固定夹子35、 36,—个固定显微镜31镜头，另外一个固定样品台33。 显微镜31通过第二固定夹36倒置安装在支架32下部，其高度足够放置长工作距离显微镜头。 显微镜31放大倍数为100-1000倍，显微镜31倒置固定在支架32上，其底部装载一个高分辨 CCD40， CCD40与显示屏34电连接，CCD40采集的图像实时传输到显示屏显示出来,这样，显微 镜31的操作时，只需要观察显示屏即可。支架32与第二固定夹36间通过旋钮37固定，通过旋钮37在竖直方向上移动镜头的位 置；样品台33通过第一固定夹35安装在支架32上，其与第一固定夹35间通过旋钮38固定， 样品台33中间有一小孔，其边缘设置有金属弹簧片39;支架上32的样品台33上下位置固 定,但在水平面上，其可以调节第一固定夹35与样品台33间的旋钮38，可以任意移动。样 品台33的中央有一个小孔,小孔直径3-5mm，对光时，芯片固定平台1中间的小孔11正好对准 这个孔。因此，就可以通过调整水平位置和显微镜的焦距，从显示屏34上观察到芯片的探测区 域。在光纤固定平台2上,还固定有一个千分尺,用于对光时微调样品的位置。使用超导单光子探测器封装时，首先将芯片用低温胶固定在芯片固定平台1中间,芯片的 探测区域对准平台的中间小孔11，保证可以从平台的背面透过小孔观察到该探测区域；然后将光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超导单光子探测器，其特征在于包括：　－芯片固定平台（１）：所述芯片固定平台（１）中间有一小孔（１１），在小孔（１１）的两边芯片固定平台（１）上设置有凸台（１２）；在芯片固定平台（１）的周围及凸台（１２）上设置有螺孔（１３）；－光纤固定平台（２）：所述光纤固定平台（２）的一边设置有凹槽（２１），光纤固定平台（２）周围设置有小孔（２３），光纤固定平台（２）中间设置有小孔（２２），位于光纤固定平台（２）中间的小孔（２２）里面固定有陶瓷环，位于光纤固定平台（２）周围的小孔（２３）与芯片固定平台（１）上凸台（１２）的螺孔（１３）位置相对应；　－对光系统（３）：所述对光系统（３）包括显微镜（３１）、支架（３２）、样品台（３３）和显示屏（３４）；显微镜（３１）通过第二固定夹（３６）倒置安装在支架（３２）下部，支架（３２）与第二固定夹（３６）间通过旋钮（３７）固定；样品台（３３）位于显微镜（３１）的上方，通过第一固定夹（３５）安装在支架（３２）上部，其与第一固定夹（３５）间通过旋钮（３８）固定，样品台（３３）中间有一小孔，其边缘设置有金属弹簧片（３９）；显微镜的底部安装有ＣＣＤ（４０），ＣＣＤ（４０）与显示屏（３４）电连接。...

【技术特征摘要】
1、一种超导单光子探测器，其特征在于包括-芯片固定平台(1)所述芯片固定平台(1)中间有一小孔(11)，在小孔(11)的两边芯片固定平台(1)上设置有凸台(12)；在芯片固定平台(1)的周围及凸台(12)上设置有螺孔(13)；-光纤固定平台(2)所述光纤固定平台(2)的一边设置有凹槽(21)，光纤固定平台(2)周围设置有小孔(23)，光纤固定平台(2)中间设置有小孔(22)，位于光纤固定平台(2)中间的小孔(22)里面固定有陶瓷环，位于光纤固定平台(2)周围的小孔(23)与芯片固定平台(1)上凸台(12)的螺孔(13)位置相对应；-对光系统(3)所述对光系统(3)包括显微镜(31)、支架(32)、样品台(33)和显示屏(34)；显微镜(31)通过第二固定夹(36)倒置安装在支架(32)下部，支架(32)与第二固定夹(36)间通过旋钮(37)固定；样品台(33)位于显微镜(31)的上方，通过第一固定夹(35)安装在支架(32)上部，其与第一固定夹(35)间通过旋钮(38)固定，样品台(33)中间有一小孔，其边缘设置有金属弹簧片(39)；...

【专利技术属性】
技术研发人员：康琳，张蜡宝，陈健，吴培亨，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]