大口徑超導(dǎo)弱光接收的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大口徑超導(dǎo)弱光接收機，包括光纖和超導(dǎo)探測器，依序設(shè)置于所述光纖和超導(dǎo)探測器之間的與準(zhǔn)直透鏡和光束壓縮單元；所述光束壓縮單元包括若干個依序設(shè)置并與所述光纖同軸固定的光學(xué)元件；沿光子傳輸?shù)姆较?，光學(xué)元件的數(shù)值口徑逐漸增大。本發(fā)明的探測范圍是15-200微米，可以提高超導(dǎo)探測器對于空間分布較大的光信號檢測的系統(tǒng)效率，并可以將現(xiàn)有的單模光纖耦合模式提高到多模光纖耦合模式，因此大大提高了超導(dǎo)探測器對空間光子探測的系統(tǒng)性能，促進其在熒光檢測、空間通信等基礎(chǔ)研究、工業(yè)和國防等領(lǐng)域的應(yīng)用。
【專利說明】大口徑超導(dǎo)弱光接收機

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種弱光探測系統(tǒng)，特別是一種大口徑超導(dǎo)弱光接收機及其相應(yīng)的低 溫系統(tǒng)和測量電路。

【背景技術(shù)】
[0002] 超導(dǎo)單光子檢測是一種基于超導(dǎo)薄膜的單光子檢測技術(shù)，具有恢復(fù)時間短、暗計 數(shù)低、小信噪比高和檢測電路簡單優(yōu)點。
[0003] 由于超導(dǎo)材料的臨界溫度都很低，用于制備超導(dǎo)單光子檢測器的超薄氮化鈮薄膜 的臨界溫度僅l〇k左右，因此其工作溫度通常都要到液氦溫區(qū)。探測區(qū)域都在低溫環(huán)境，所 以必須要把光子傳輸?shù)降蜏丨h(huán)境，還要把信號從低溫環(huán)境輸出。
[0004] 由于超導(dǎo)納米線單光子探測器的探測區(qū)域為蜿蜒結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)納米線，探測面積越 大，器件納米線的長度就越長，器件動態(tài)電感越大，器件的探測速度就越低。與此同時，提高 器件面積還會呈幾何級數(shù)降低器件成品率，大大增加器件制備難度。因此，通常超導(dǎo)納米線 單光子探測器的探測區(qū)域都小于等于10微米X10微米。該尺寸僅能夠滿足高度匯聚光束 探測，并兼容單模光纖耦合系統(tǒng)，不能滿足自由空間光子探測，嚴(yán)重限制了超導(dǎo)納米線單光 子探測器的應(yīng)用。
[0005] 將光束壓縮是一種改善光子耦合的方法。但是，對于超導(dǎo)納米線單光子探測器，芯 片處于低溫系統(tǒng)，由于超導(dǎo)單光子探測器的低溫系統(tǒng)空間有限，不能安裝常規(guī)光學(xué)透鏡，更 無法在低溫系統(tǒng)中微調(diào)光路，并且自由光路可能傳輸輻射導(dǎo)致低溫系統(tǒng)的不穩(wěn)定。
[0006] 因此，常規(guī)光束壓縮并不能應(yīng)用與超導(dǎo)納米線單光子探測器。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 發(fā)明目的：提供一種大口徑超導(dǎo)弱光接收機，以解決現(xiàn)有技術(shù)探測范圍小、系統(tǒng)效 率低的缺陷。
[0008] 技術(shù)方案：一種大口徑超導(dǎo)弱光接收機，包括光纖和超導(dǎo)探測器，依序設(shè)置于所述 光纖和超導(dǎo)探測器之間的與準(zhǔn)直透鏡和光束壓縮單元； 所述光束壓縮單元包括若干個依序設(shè)置并與所述光纖同軸固定的光學(xué)元件；沿光子傳 輸?shù)姆较?，光學(xué)元件的數(shù)值口徑逐漸增大。
[0009] 所述光束壓縮單元由凹透鏡、凸透鏡、凹面反射鏡和凸面反射鏡依序組合而成。
[0010] 所用光學(xué)元件的工作溫度區(qū)間為〇. 1-100K。所述探測器檢測區(qū)域的尺寸為壓縮光 斑尺寸的0. 1-10倍。所述光學(xué)元件為直徑不大于15cm的無機材料或金屬材料做成的微透 鏡。所述光纖的數(shù)值孔徑為〇. 1-0. 2 ;所述準(zhǔn)直透鏡的數(shù)值孔徑為0. 1-0. 5 ;所述光學(xué)元件 的數(shù)值孔徑為〇. 1-0. 86。
[0011] 本發(fā)明實現(xiàn)了真空低溫等極端環(huán)境下多模光纖到超導(dǎo)納米線單光子探測器的高 效率光子稱合；通過多模光纖和光學(xué)兀件實現(xiàn)自由空間光子的傳輸與光束壓縮，實現(xiàn)超導(dǎo) 納米線單光子探測器大口徑光接收。
[0012] 有益效果：本發(fā)明的探測范圍是15-200微米，可以提高超導(dǎo)探測器對于空間分布 較大的光信號檢測的系統(tǒng)效率，并可以將現(xiàn)有的單模光纖耦合模式提高到多模光纖耦合模 式，因此大大提高了超導(dǎo)探測器對空間光子探測的系統(tǒng)性能，促進其在熒光檢測、空間通信 等基礎(chǔ)研究、工業(yè)和國防等領(lǐng)域的應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0014] 如圖1所示，本發(fā)明大口徑超導(dǎo)弱光接收機主要包括用于光子傳輸?shù)亩嗄９饫w、 光子耦合和超導(dǎo)芯片，還包括相應(yīng)的低溫系統(tǒng)和測量電路。其中，多模光纖、光學(xué)系統(tǒng)和超 導(dǎo)芯片設(shè)置于低溫溫環(huán)境中。
[0015] 多模光纖在400_1700nm波段，光信號的時間抖動小于5ps。光子通過多模光纖傳 輸，并數(shù)據(jù)口徑漸增的透鏡對光束進行準(zhǔn)直和壓縮，對多模光纖50微米的芯徑實現(xiàn)25微米 的壓縮，然后將聚焦后的光斑射入超導(dǎo)探測器探測區(qū)域。
[0016] 超導(dǎo)單光子探測器設(shè)置于低溫系統(tǒng)內(nèi)，可工作在紅外、可見和紫外波段，對接收的 熒光信號進行探測。低溫系統(tǒng)為超導(dǎo)單光子探測器提供1-5K工作環(huán)境，使超導(dǎo)單光子探測 器的工作環(huán)境穩(wěn)定。低溫系統(tǒng)包括GM制冷機、液気、脈管制冷機、He3制冷機或者稀釋制冷 機，確保低溫系統(tǒng)的溫度復(fù)合要求。
[0017] 超導(dǎo)單光子探測器內(nèi)包括讀出電路，讀出電路包括依次電路連接的低噪聲前置放 大器、衰減器、功率合成器和功率放大器。超導(dǎo)納米線通過超導(dǎo)單光子探測器的RF輸出的 光子響應(yīng)信號首先通過一個低噪聲前置放大器進行信號放大，這里的這個低噪聲前置放大 器還有一個重要的功能是阻抗匹配，防止超導(dǎo)單光子探測器的RF端的信號反射導(dǎo)致超導(dǎo) 納米線工作不穩(wěn)定，該低噪聲前置放大器的增益可以通過其電源微調(diào)，衰減器也可以控制 前置放大器輸出信號的幅度。超導(dǎo)探測器輸出信號對應(yīng)入射光子信號。上述整個系統(tǒng)的口 徑為50微米，利用本發(fā)明，可根據(jù)需要進一步增加或降低光學(xué)系統(tǒng)的口徑，保證耦合效率 >85%。
[0018] 在上述實施例中，光子通過多模光纖接受入射光子信號，由于多模光纖較常規(guī)超 導(dǎo)探測器的耦合光纖（單模），芯徑大大提高，因此易于和其他應(yīng)用系統(tǒng)兼容。通過多模光 纖收集的光子通過光纖穿過大氣壓-真空層和室溫-低溫層，通過若干光學(xué)元件實現(xiàn)光束 壓縮。
[0019] 在上述實施例中，本發(fā)明包含但不限于所列舉實例。如將50微米多模光纖輸出光 束壓縮到25微米后的光斑，除適用于耦合效率大于85%的15微米器件外，仍然適用于30 微米的器件，耦合效率較常規(guī)單模光纖耦合提高約9倍。
[0020] 在上述實施例中，多個光學(xué)元件等效為一個成像系統(tǒng)，光纖出光口位于物平面，探 測器檢測區(qū)域位于像平面。光纖出光口映射到探測器檢測區(qū)域上，成一個縮小的像，對應(yīng)的 光束實現(xiàn)匯聚。
[0021] 具體地，可以采用幾何光學(xué)近似計算這些光學(xué)元件聚焦效果。如果假設(shè)整個光學(xué) 系統(tǒng)的等效物距等效像距i和等效焦距/。則這些參數(shù)滿足公式1//=1/0 +l/i，整個光 學(xué)系統(tǒng)的放大倍率為i/〇。因此，如果采用50微米多模光纖的纖芯，放大倍率為0. 5,則匯 聚后的光斑尺寸約25微米。根據(jù)這一匯聚尺寸，設(shè)計超導(dǎo)探測器的探測區(qū)域大小在25微 米量級。這樣，整個系統(tǒng)即可實現(xiàn)多模與低溫超導(dǎo)探測器的高效率傳輸耦合。由于結(jié)合其 他技術(shù)手段，可以將更大尺寸的光斑壓縮并耦合到多模光纖，因此該發(fā)明解決超導(dǎo)探測器 光子耦合難題。
[0022] 在其他實施例中，各元件的數(shù)值孔徑范圍是：多模光纖：0. 1-0. 25,準(zhǔn)直透鏡： 0. 1-0. 5,光學(xué)兀件：0. 1-0. 86,并且滿足多模光纖〈準(zhǔn)直透鏡〈光學(xué)兀件條件。例如多模光 纖0. 22,準(zhǔn)直透鏡0. 26,光學(xué)元件0. 36。
[0023] 為了解決低溫系統(tǒng)空間問題，本項目采用了微透鏡，透鏡的直徑小于1cm，并且同 軸固定，確保了 300K大溫差變化熱脹冷縮不影響光耦合。
[0024] 通過系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)了微透鏡系統(tǒng)壓縮光束，實現(xiàn)器件的高效率耦合，大大提高了 器件系統(tǒng)效率。通過本發(fā)明，可以將弱光檢測的口徑提高到50微米以上。通過光束壓縮后， 多模光纖耦合系統(tǒng)效率高達85% ;通過單模光纖耦合系統(tǒng)效率超過50%。實驗表明，該方案 不會導(dǎo)致背景輻射增加暗計數(shù)和低溫系統(tǒng)溫度的穩(wěn)定性。
[0025] 本發(fā)明通過將微透鏡與多模光纖集成，通過光學(xué)設(shè)計實現(xiàn)光束壓縮，結(jié)合同軸封 裝方案，實現(xiàn)了超導(dǎo)納米線單光子探測器光束壓縮并高效率光子耦合，保證了在該低溫真 空等特殊環(huán)境中的穩(wěn)定工作。
[0026] 以上詳細描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實施方式中 的具體細節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行多種等同變換，這 些等同變換均屬于本發(fā)明的保護范圍。
[0027] 外需要說明的是，在上述【具體實施方式】中所描述的各個具體技術(shù)特征，在不矛盾 的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合。為了避免不必要的重復(fù)，本發(fā)明對各種可能 的組合方式不再另行說明。
【權(quán)利要求】
1. 一種大口徑超導(dǎo)弱光接收機，包括光纖和超導(dǎo)探測器，其特征在于，還包括依序設(shè)置 于所述光纖和超導(dǎo)探測器之間的與準(zhǔn)直透鏡和光束壓縮單元； 所述光束壓縮單元包括若干個依序設(shè)置并與所述光纖同軸固定的光學(xué)元件；沿光子傳 輸?shù)姆较?，光學(xué)元件的數(shù)值口徑逐漸增大。
2. 如權(quán)利要求1所述的大口徑超導(dǎo)弱光接收機，其特征在于，所述光束壓縮單元由凹 透鏡、凸透鏡、凹面反射鏡和凸面反射鏡依序組合而成。
3. 如權(quán)利要求2所述的大口徑超導(dǎo)弱光接收機，其特征在于，所用光學(xué)元件的工作溫 度區(qū)間為0. 1-100K。
4. 如權(quán)利要求1至3任一項所述的大口徑超導(dǎo)弱光接收機，其特征在于，所述探測器檢 測區(qū)域的尺寸為壓縮光斑尺寸的0. 1-10倍。
5. 如權(quán)利要求1或2或3所述的大口徑超導(dǎo)弱光接收機，其特征在于，所述光學(xué)元件為 直徑不大于15cm的無機材料或金屬材料做成的微透鏡。
6. 如權(quán)利要求5所述的大口徑超導(dǎo)弱光接收機，其特征在于，所述光纖的數(shù)值孔徑為 0. 1-0. 2 ;所述準(zhǔn)直透鏡的數(shù)值孔徑為0. 1-0. 5 ;所述光學(xué)元件的數(shù)值孔徑為0. 1-0. 86。
【文檔編號】H04B10/67GK104052552SQ201410265234
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月13日
【發(fā)明者】張蠟寶, 康琳, 陳健, 吳培亨 申請人:南京大學(xué)