【《超导纳米线单光子探测器SNSPD的发展综述》10000字（论文）】

超导纳米线单光子探测器SNSPD的发展综述目录TOC\o"1-3"\h\u26041超导纳米线单光子探测器SNSPD的发展综述 )其中，为系统的时间抖动，为噪声引起的抖动，为实验装置引起的抖动，为器件的本征抖动，为热点引起的抖动和器件结构引起的抖动共同造成的。时间抖动的相关解释和物理机制仍在进一步研究，2018年，J.P.Allmaras等人[44]引入了时延（Latency）的概念，进一步探索了时间抖动的解释机制。1.1.4最大计数率最大计数率（MCR）是指多个光子同时入射时，单位时间内器件发出光响应行为的最大次数。与之相对应的一个性能指标是死时间（DeadTime）。死时间是指器件进行两次光响应之间的时间间隔。最大计数率和死时间的关系成反比ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Kiviranta</Author><Year>2006</Year><RecNum>98</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[56]</style></DisplayText><record><rec-number>98</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="wpzefaf5u5v50we2pdb5v0x5xxa29dzxvpff"timestamp="1612267188">98</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Kiviranta</author><author>Mikko%JSuperconductorScience</author><author>Technology</author></authors></contributors><titles><title>UseofSiGebipolartransistorsforcryogenicreadoutofSQUIDs</title></titles><pages>1297</pages><volume>19</volume><number>12</number><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[56]。性能指标里，最大计数率与探测效率两个参数共同决定了器件的反应速度，即单位时间里检测的最大光子数。如图1.10所示ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Zhao</Author><Year>2014</Year><RecNum>63</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[57]</style></DisplayText><record><rec-number>63</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="wpzefaf5u5v50we2pdb5v0x5xxa29dzxvpff"timestamp="1611748325">63</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Zhao,Qingyuan</author><author>Jia,Tao</author><author>Gu,Min</author><author>Wan,Chao</author><author>Wu,Peiheng%JOpticsLetters</author></authors></contributors><titles><title>Countingrateenhancementsinsuperconductingnanowiresingle-photondetectorswithimprovedreadoutcircuits</title></titles><pages>1869-1872</pages><volume>39</volume><number>7</number><dates><year>2014</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[57]，是SNSPD的计数率与入射光功率的关系。起初，计数率随着入射光功率变大成比例增加，此时是由探测效率决定曲线的比例系数；而当入射光功率逐渐增大，光子以极快的速度入射，SNSPD对入射光子丧失了响应功能，使SNSPD停滞在电阻态，无法正常探测，这个临界时刻计数率的值便是最大计数率。图1.8SNSPD的计数率与入射光功率的关系超导材料的热弛豫时间极短，理论上SNSPD最大计数率可达GHz量级。但在实际的器件中，为了兼顾光吸收效率将纳米线长度制备在mm量级，这样纳米线的动态电感就会很大，大大降低了最大计数率，再加上读出电路中耦合电容的限制，SNSPD目前所能达到的最大计数率为几十MHz，因而提高最大计数率也是研究热点之一。1.4SNSPD阵列发展SNSPD阵列可以满足应用领域对光子数分辨、时间分辨与空间分辨的需求。而SNSPD阵列中较多报导的有SNSPDs阵列ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Year>2007</Year><RecNum>125</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[17,18]</style></DisplayText><record><rec-number>125</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="wpzefaf5u5v50we2pdb5v0x5xxa29dzxvpff"timestamp="1615969026">125</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors></contributors><titles><title>UltrathinNbNfilmsuperconductingsingle-photondetectorarray%JJournalofPhysicsConference</title></titles><pages>1081-1085</pages><volume>61</volume><dates><year>2007</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Zhao</Author><Year>2013</Year><RecNum>126</RecNum><record><rec-number>126</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="wpzefaf5u5v50we2pdb5v0x5xxa29dzxvpff"timestamp="1615969138">126</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Zhao,Q.</author><author>Mccaughan,A.</author><author>Bellei,F.</author><author>Najafi,F.%JAppliedPhysicsLetters</author></authors></contributors><titles><title>Superconducting-nanowiresingle-photon-detectorlineararray</title></titles><pages>343-82</pages><volume>103</volume><number>14</number><dates><year>2013</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[17,18]、并联式SNSPDADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Divochiy</Author><Year>2008</Year><RecNum>127</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[19]</style></DisplayText><record><rec-number>127</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="wpzefaf5u5v50we2pdb5v0x5xxa29dzxvpff"timestamp="1615969212">127</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Divochiy,A.</author><author>Marsili,F.</author><author>Bitauld,D.</author><author>Gaggero,A.</author><author>Leoni,R.</author><author>Mattioli,F.</author><author>Korneev,A.</author><author>Seleznev,V.</author><author>Kaurova,N.</author><author>Minaeva,O.%JNaturePhotonics</author></authors></contributors><titles><title>Superconductingnanowirephoton-number-resolvingdetectorattelecommunicationwavelengths</title></titles><pages>302-306</pages><volume>2</volume><number>6</number><dates><year>2008</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[19]、串联式SNSPDADDINEN.CITEADDINEN.CITE.DATA[20-22]。本节分别将介绍这三者的结构。1.4.1SNSPDs阵列SNSPDs阵列是类似于数码成像中较为常见的CCD传感器阵列一样的由许多个小面积的SNSPD像元整齐排列组成的阵列。如图1.9所示，是一个2×2的四像元SNSPDs结构示意图，其中每一个像元都是10µm×10µm的SNSPD组成，且每个像元都有一个共同的地面接触点和四个独立的接触点，以允许进行每个像元的独立表征。图1.9四像元SNSPDs阵列结构示意图1.4.2并联式SNSPD（PND）并联式SNSPD（ParallelSNSPD，简称PND）是由N个SNSPD并联组成。如图1.10（a）所示，是一个6像元的PND，每一个SNSPD像元串联一个电阻R0。图1.（a）（b）图1.106像元PND示意图（a）等效电路图（b）SEM图1.4.3串联式SNSPD（SND）串联式SNSPD（SeriesSNSPD，简称SND）是指N个SNSPD单像元并联电阻后以串联方式连接在一起。如图1.11（a）所示，是一个N（N=4）像元SND的工作电路图，偏置电流略小于临界电流，无光子入射则无脉冲输出，当器件吸收了n（1≤n≤N）个光子时，有n个像元的偏置电流被挤到了并联电阻上，读出的电压脉冲幅值与光子数成正比，可实现光子数分辨。如图1.11（b）所示，是4像元SND探测器的扫描电子显微镜图，图中的4个颜色分别代表阵列里的4个单像元。（a）（b）图1.114像元SND示意图（a）等效电路图（b）SEM图1.5SNSPD及阵列的读出电路研究处于低温环境（4.2K）的SNSPD接收到光子后，由超导态变为电阻态，但电阻态截面很小，它的电阻约为几百欧姆，临界电流约为17uA左右，因而响应的电压信号约为10-3量级。想要直接用示波器观察到这个电压信号十分困难，需要设计一个起“桥梁”作用的读出电路对该信号进行放大，并与器件和后续电路相连接。在本节中介绍了单像元和SNSPD阵列的读出电路的结构和原理。1.5.1单像元读出电路（1）传统读出电路单像元通常情况下采用的传统读出电路如图1.12所示ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>赵清源</Author><Year>2014</Year><RecNum>61</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[58]</style></DisplayText><record><rec-number>61</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="wpzefaf5u5v50we2pdb5v0x5xxa29dzxvpff"timestamp="1611747950">61</key></foreign-keys><ref-typename="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>赵清源</author></authors></contributors><titles><title>高速,空间分辨超导单光子探测系统及其应用</title></titles><dates><year>2014</year></dates><publisher>南京大学</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[58]，其使用一根连接到常温环境的同轴线提供偏置电流和传输SNSPD产生的脉冲信号，使用三端口元件在常温环境下分离直流、交流信号。图1.12传统SNSPD的读出电路结构示意图SNSPD一般放置于低温环境下（2.5K），读出电路处于室温环境下（300K）。使用一根同轴线将SNSPD与常温环境连接，同轴线一是为SNSPD提供偏置电流，二是输出SNSPD产生的脉冲信号。而电压源与定值电阻提供的偏置电流是DC信号，器件响应的输出脉冲是AC信号，实验电路中常用来实现直流、交流分离的元件是Bias-T三端口元件，三端口分别为DC通直流、RF通交流、DC＆RF端口既可以通过交流又可以通过直流，其中DC和RF端口不连通。读出电路的工作过程是，电压源和串联电阻为SNSPD提供了直流偏置，电流经过三端口元件由DC端口流出至SNSPD。SNSPD接收到入射光子后产生响应，输出脉冲再经过三端口元件由RF端口流出至放大器，放大器将信号进行放大后传输给示波器或计数器读出。传统读出电路原理简单，操作简洁，且读出电路部分位于常温环境利于搭建，应用广泛。（2）传统读出电路的改进式改进式读出电路保持传统电路的基本结构，仅做轻微改动。2012年，LiuDengkuan等人ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Liu</Author><Year>2012</Year><RecNum>62</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[59]</style></DisplayText><record><rec-number>62</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="wpzefaf5u5v50we2pdb5v0x5xxa29dzxvpff"timestamp="1611748158">62</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Liu,DengKuan</author><author>Chen,SiJing</author><author>You,LiXing</author><author>Wang,YongLiang</author><author>Miki,Shigehito</author><author>Wang,Zhen</author><author>Xie,XiaoMing</author><author>Jiang,MianHeng%JAppliedPhysicsExpress</author></authors></contributors><titles><title>NonlatchingSuperconductingNanowireSingle-PhotonDetectionwithQuasi-Constant-VoltageBias</title></titles><pages>695-706</pages><volume>5</volume><number>12</number><dates><year>2012</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[59]在外电路上增加电阻来抑制SNSPD探测光子时的闩锁效应。传统电路在偏置电流比较高时，容易受干扰产生闩锁效应，改进后的电路如图1.13所示，该电路在原有传统电路上，在Bias-T元件的DC端口和地之间加了一个大小在1kΩ以内的电阻。加电阻实际上改变了偏置方式，原有传统电路采用的是恒流偏置，改进后变为了恒压偏置模式，有效抑制了闩锁效应。图1.13改进式SNSPD的读出电路结构示意图2014年，ZhaoQingyuan等人ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Zhao</Author><Year>2014</Year><RecNum>63</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[57]</style></DisplayText><record><rec-number>63</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="wpzefaf5u5v50we2pdb5v0x5xxa29dzxvpff"timestamp="1611748325">63</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Zhao,Qingyuan</author><author>Jia,Tao</author><author>Gu,Min</author><author>Wan,Chao</author><author>Wu,Peiheng%JOpticsLetters</author></authors></contributors><titles><title>Countingrateenhancementsinsuperconductingnanowiresingle-photondetectorswithimprovedreadoutcircuits</title></titles><pages>1869-1872</pages><volume>39</volume><number>7</number><dates><year>2014</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[57]通过改变SNSPD和放大器之间的耦合方式，如图1.14所示，有效提高了SNSPD的最大计数率。改进电路在传统电路中增加了一个三电阻的功率分配器。通过功分器实现将输出信号两路分离，一路信号放大读出，一路信号解决电容放电问题。三电阻功分器的三个端口分别与SNSPD、Bias-T元件、T型头端口相连，Bias-T元件和后续直流偏置相连，T型头元件的其他端口分别连接了放大器和一段终端短路的同轴线，这个同轴线的接入使得耦合电容可以快速放电，等效于将电容接地，因此这种电路又称为“电容-接地”式读出电路。这种改进式电路大大提高了最大计数率。图1.14改进式SNSPD的读出电路结构示意图（3）新型读出电路a、基于HEMT高电子迁移晶体管（HighElectronMobilityTransistor,简称HEMT）在低温环境下不受载流子冻析效应的影响的特性，在制作放大器中十分常见。由于其突出的性能，HEMT也被应用于SNSPD的读出电路中。2009年，JenniferKitaygorsky等人ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Kitaygorsky</Author><Year>2009</Year><RecNum>123</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[60]</style></DisplayText><record><rec-number>123</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="wpzefaf5u5v50we2pdb5v0x5xxa29dzxvpff"timestamp="1615627162">123</key><keyapp="ENWeb"db-id="">0</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Kitaygorsky,J.</author><author>Dorenbos,S.</author><author>Reiger,E.</author><author>Schouten,R.</author><author>Zwiller,V.</author><author>Sobolewski,R.</author></authors></contributors><titles><title>HEMT-BasedReadoutTechniqueforDark-andPhoton-CountStudiesinNbNSuperconductingSingle-PhotonDetectors</title><secondary-title>IEEETransactionsonAppliedSuperconductivity</secondary-title></titles><periodical><full-title>IEEETransactionsonAppliedSuperconductivity</full-title></periodical><pages>346-349</pages><volume>19</volume><number>3</number><section>346</section><dates><year>2009</year></dates><isbn>1051-8223 1558-2515</isbn><urls></urls><electronic-resource-num>10.1109/tasc.2009.2018191</electronic-resource-num></record></Cite></EndNote>[60]设计了基于HEMT放大电路的读出电路，如图1.15（a）所示，来研究NbNSNSPD中暗计数和光计数的区别，最终发现在脉冲幅度上暗计数和光计数存在轻微的差异。2013年，AJKerman等人ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Kerman</Author><Year>2013</Year><RecNum>66</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[61]</style></DisplayText><record><rec-number>66</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="wpzefaf5u5v50we2pdb5v0x5xxa29dzxvpff"timestamp="1611751516">66</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Kerman,AndrewJ.</author><author>Rosenberg,Danna</author><author>Molnar,RichardJ.</author><author>Dauler,EricA.%JJournalofAppliedPhysics</author></authors></contributors><titles><title>Readoutofsuperconductingnanowiresingle-photondetectorsathighcountrates</title></titles><pages>063001-214</pages><volume>113</volume><number>14</number><dates><year>2013</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[61]提出了一种新的基于HEMT低温放大器的直流耦合读出方式，如图1.15（b）所示，解决了交流耦合时高计数率会导致探测效率非线性的问题，最终获得了100Mhz的最大计数率。图1.17所示的两种读出电路图结构相似，且晶体管HEMT都采用了共源极结构对信号进行放大。但（a）图仅进行了一级放大，（b）图进行了两级放大，两图的放大级数不同。（a）图HEMT管采用自给偏置，（b）图HEMT采用分压式偏置，两图的偏置方式也不同。（a）（b）图1.15两种基于HEMT的SNSPD的读出电路结构示意图（a）自给偏置读出（b）分压偏置读出b、基于商用GaAs单片微波集成电路商用砷化镓（GaAs）芯片在低温下同样不会出现载流子冻结现象。2018年，ClintonCahall等人ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Clinton</Author><Year>2018</Year><RecNum>107</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[62]</style></DisplayText><record><rec-number>107</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="wpzefaf5u5v50we2pdb5v0x5xxa29dzxvpff"timestamp="1615212681">107</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Clinton,Cahall</author><author>Gauthier,DanielJ.</author><author>Jungsang,Kim%JReviewofScientificInstruments</author></authors></contributors><titles><title>Low-Cost,Low-PowerCryogenicReadoutCircuitforaSuperconductingNanowireSinglePhotonDetectorSystem</title></titles><pages>063117</pages><volume>89</volume><number>6</number><dates><year>2018</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[62]基于商用GaAs单片微波集成电路（GaAsMMIC）提出了新的读出策略。如图1.16所示，该电路使用GaAsMMIC为放大器，同时实现了低噪声、高计数率、高时序分辨率。图1.16基于GaAs单片微波集成电路的读出电路结构示意图c、基于SQUID超导量子干涉器（SQUID）具有磁场灵敏度高、噪声低等优点，SQUID的发展也促进了读出电路的研究。2007年，A.D.Semenov等人ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Semenov</Author><Year>2007</Year><RecNum>70</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[63]</style></DisplayText><record><rec-number>70</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="wpzefaf5u5v50we2pdb5v0x5xxa29dzxvpff"timestamp="1611753172">70</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Semenov,A.D.</author><author>Haas,P.</author><author>B.Günther</author><author>H.Hübers</author><author>K.Il’in</author><author>Siegel,M.</author><author>Kirste,A.</author><author>Beyer,J.</author><author>Drung,D.</author><author>Schurig,T.%JSuperconductorScienceTechnology</author></authors></contributors><titles><title>Anenergy-resolvingsuperconductingnanowirephotoncounter</title></titles><pages>919-924</pages><volume>20</volume><number>10</number><dates><year>2007</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[63]设计了一种基于DC-SQUID的读出电路，应用于测量不同光谱下SNSPD的灵敏度、分辨率和能量分辨能力，如图1.17所示是优化参数后的系统框图。图1.17基于SQUID的SNSPD读出电路结构示意图1.5.2SNSPD阵列读出电路单像元SNSPD器件虽然性能优越，但是其不能满足许多应用领域提出的光子数分辨的需求。而采用SNSPD组成阵列是基于空间复用原理，可满足光子数分辨，从这点上来说SNSPD阵列的应用意义更为广泛。而SNSPD阵列的读出电路仍是研究难点之一ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Myoren</Author><Year>2015</Year><RecNum>99</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[64]</style></DisplayText><record><rec-number>99</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="wpzefaf5u5v50we2pdb5v0x5xxa29dzxvpff"timestamp="1612343208">99</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Myoren,H.</author><author>Takeda,S.</author><author>Naruse,M.</author><author>Taino,T.</author><author>Chen,J.</author><author>Wu,P.%JIEEETransactionsonAppliedSuperconductivity</author></authors></contributors><titles><title>Single-FluxQuantumReadoutCircuitsforPhoton-Number-ResolvingSuperconductingNanowireSingle-PhotonDetectors</title></titles><pages>1-4</pages><volume>25</volume><number>3</number><dates><year>2015</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[64]。本小节将介绍SNSPD三种阵列各自读出电路的研究现状。（1）PND的读出电路PND探测器可以实现光子数分辨，其读出原理是脉冲叠加，将所有响应信号叠加为一个信号，通过幅值比较出光子数数目。但是在PND阵列中，若某个SNSPD像元吸收光子后，该单元就会由超导态转变为电阻态，电流会因此重新分配流入其他的像元，这十分容易引起未接收光子的像元电流超过临界电流引起虚假的光响应和计数。这个问题大大限制了并联的像元数目，即限制了可分辨光子的数目。此外，电流重新分配造成假计数的问题还要求偏置电流很低，由前可知，低偏置电流会限制探测器的探测效率。2013年，MIT研究小组提出了新的读出电路，如图1.18（a）所示，以解决分辨入射光子位置的问题ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Zhao</Author><Year>2013</Year><RecNum>64</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[18]</style></DisplayText><record><rec-number>64</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="wpzefaf5u5v50we2pdb5v0x5xxa29dzxvpff"timestamp="1611749352">64</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Zhao,Qingyuan</author><author>Mccaughan,Adam</author><author>Bellei,Francesco</author><author>Najafi,Faraz%JAppliedPhysicsLetters</author></authors></contributors><titles><title>Superconducting-nanowiresingle-photon-detectorlineararray</title></titles><pages>343-82</pages><volume>103</volume><number>14</number><dates><year>2013</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[18]。新读出电路的结构是SNSPD分别与电感、电阻串联，再通过片上电感并联。工作过程是，当某一个像元接收到光子（图中标红的左2像元）变成电阻态会引起电流重新分配，电流分成两股分别流入最左侧和最右侧的放大器。由于片上电感的作用，不同的像元被激发，最终流入放大器的电流也必然不相同。所以只用对两端放大器的输出电压进行运算，便可得到四个幅值与极性不同的信号，实现对光子位置的分辨。之后，MIT又将纳米线结构更改为共面波导结构，如图1.18（b）所示，减缓电信号的传输速度方便测量与计算ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Zhao</Author><RecNum>65</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[65]</style></DisplayText><record><rec-number>65</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="wpzefaf5u5v50we2pdb5v0x5xxa29dzxvpff"timestamp="1611749577">65</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Zhao,QingYuan</author><author>Zhu,Di</author><author>NiccolòCalandri</author><author>Dane,AndrewE.</author><author>Mccaughan,AdamN.</author><author>Bellei,Francesco</author><author>Wang,HaoZhu</author><author>Santavicca,DanielF.</author><author>Berggren,KarlK.%JNaturePhotonics</author></authors></contributors><titles><title>Single-photonimagerbasedonasuperconductingnanowiredelayline</title></titles><dates></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[65]。根据结构，以上的两种读出电路中器件的两端都与放大器相连，因此将其称为“两端”式读出电路。（a）（b）图1.18SNSPD线阵式的读出电路结构示意图（a）读出电路（b）共波导结构（2）SND的读出电路2019年，JohannesTiedau等人ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Tiedau</Author><Year>2019</Year><RecNum>106</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[66]</style></DisplayText><record><rec-number>106</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="wpzefaf5u5v50we2pdb5v0x5xxa29dzxvpff"timestamp="1615013480">106</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Tiedau,Johannes</author><author>Schapeler,Timon</author><author>Anant,Vikas</author><author>Fedder,Helmut</author><author>Silberhorn,Christine</author><author>Bartley,TimJ.</author></authors></contributors><titles><title>Single-channelelectronicreadoutofamultipixelsuperconductingnanowiresinglephotondetector</title></titles><dates><year>2019</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[66]提出了一种基于阈值超时读出的可扩展的单通道读出方案，实现了从多像元阵列中提取出接收到信号的像元数的目的。该方案是基于当每个像元串联连接时，设备的阈值时间超过脉冲长度，从而用一条电气线路可同时读出多像元检测器。到达时间信息将保留在上升沿，以保持检测器的固有低抖动；检测器的恢复时间决定下降沿，恢复时间随着检测器的数量而增加。因此，上升沿和下降沿之间的时差（即脉冲持续时间）与被激活的像元数成正比。像元数量和光子到达时间的信息通过这种方案，将被保留在单个通道上，这种方案理论上与阵列的大小无关，因而有望实现大阵列读出。如图1.19所示，图（a）是该方案用于四像元SNSPD的读出电路图，每个检测器与电阻并联，并通过电感和电容连接到恒定电流源上。由于所有检测器区域均串联连接，则通过测量跨负载电阻上的电压便可实现单通道读取。图（b）是流程示意图，由光纤耦合二极管激光器产生1550nm的光，然后通过四像元SNSPD进行衰减和检测。来自检测器的电子响应可以通过与单个电通道相连的时间标尺或示波器进行测量。(a)(b)图1.19基于阈值超时读出方式的读出电路图及流程图（a）读出电路图（b）流程示意图（3）SNSPDs的读出电路a、基于SiGeHBT硅锗异质结双极型晶体管（SiliconGermaniumHeterojunctionBipolarTransistor，简称SiGeHBT）与HEMT类似地具有低温下无载流子冻析效应的特性。2013年，JosephC.Bardin等人设计制作了一个基于SiGeHBT的用于读取8通道SNSPDs阵列的读出电路ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Bardin</Author><Year>2013</Year><RecNum>68</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[67]</style></DisplayText><record><rec-number>68</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="wpzefaf5u5v50we2pdb5v0x5xxa29dzxvpff"timestamp="1611752351">68</key></foreign-keys><ref-typename="ConferenceProceedings">10</ref-type><contributors><authors><author>Bardin,JosephC.</author><author>Ravindran,Prasana</author><author>Chang,SuWei</author><author>Kumar,Raghavan</author><author>Farr,WilliamH.</author></authors></contributors><titles><title>Ahigh-speedcryogenicSiGechannelcombinerICforlargephoton-starvedSNSPDarrays</title><secondary-title>IEEEBipolar/bicmosCircuits&TechnologyMeeting</secondary-title></titles><dates><year>2013</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[67]，基本框图如图1.20所示。SNSPD的信号通过柔性材料带状线传输给低温读出电路ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Mcgarey</Author><Year>2014</Year><RecNum>67</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[68]</style></DisplayText><record><rec-number>67</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="wpzefaf5u5v50we2pdb5v0x5xxa29dzxvpff"timestamp="1611752139">67</key></foreign-keys><ref-typename="ConferenceProceedings">10</ref-type><contributors><authors><author>Mcgarey,Patrick</author><author>Mani,Hamdi</author><author>Wheeler,Caleb</author><author>Groppi,Christopher</author></authors></contributors><titles><title>A16-channelflexcircuitforcryogenicmicrowavesignaltransmission</title><secondary-title>Millimeter,Submillimeter,&Far-infraredDetectors&InstrumentationforAstronomyVII</secondary-title></titles><dates><year>2014</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[68]。读出电路处于50K的低温环境，由通道组合器对每个像元的信号放大、数字化、边缘检测、逻辑重组等功能，并将处理后的信号传送到室温环境的FPGA处理器中进行进一步分析。之后，他们设计出了性能相近可用于16通道的读出电路ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Itzler</Author><Year>2014</Year><RecNum>69</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[69]</style></DisplayText><record><rec-number>69</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="wpzefaf5u5v50we2pdb5v0x5xxa29dzxvpff"timestamp="1611752493">69</key></foreign-keys><ref-typename="ConferenceProceedings">10</ref-type><contributors><authors><author>Itzler,MarkA.</author><author>Campbell,JoeC.</author><author>Bardin,JosephC.</author><author>Ravindran,Prasana</author><author>Chang,SuWei</author><author>Mohamed,Charif</author><author>Kumar,Raghavan</author><author>Stern,JeffreyA.</author><author>Shaw,MatthewD.</author><author>Russell,Damon</author></authors></contributors><titles><title>CryogenicSiGeintegratedcircuitsforsuperconductingnanowiresinglephotondetectorreadout</title><secondary-title>AdvancedPhotonCountingTechniquesVIII</secondary-title></titles><pages>911404</pages><dates><year>2014</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[69]。图1.20基于SiGeHBT的多通道读出电路结构示意图b、基于SFQ或RSFQ电路单量子磁通电路（SFQ）或快速单量子磁通电路（RSFQ）属于超导电路，作为读出电路时，可以大大减少阵列读出的接线数量。2012年，Taro等人ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Taro</Author><Year>2012</Year><RecNum>71</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[70,71]</style></DisplayText><record><rec-number>71</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="wpzefaf5u5v50we2pdb5v0x5xxa29dzxvpff"timestamp="1611753748">71</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Taro</author><author>Yamashita</author><author>Shigehito</author><author>Miki</author><author>Hirotaka</author><author>Terai</author><author>Kazumasa</author><author>Makise</author><author>Zhen</author><author>Wang%JOpticsletters</author></authors></contributors><titles><title>Crosstalk-freeoperationofmultielementsuperconductingnanowiresingle-photondetectorarrayintegratedwithsingle-flux-quantumcircuitina0.1WGifford-McMahoncryocooler</title></titles><pages>2982-4</pages><volume>37</volume><number>14</number><dates><year>2012</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Yamashita</Author><Year>2013</Year><RecNum>138</RecNum><record><rec-number>138</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="wpzefaf5u5v50we2pdb5v0x5xxa29dzxvpff"timestamp="1618282267">138</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Yamashita,T.</author><author>Miki,S.</author><author>Terai,H.</author><author>Makise,K.</author><author>Wang,Z.%JIEEETransactionsonAppliedSuperconductivity</author></authors></contributors><titles><title>ParallelBiasandReadoutTechniquesTowardRealizationofLarge-ScaleSSPDArrayWithSFQCircuit</title></titles><pages>2500804-2500804</pages><volume>23</volume><number>3</number><dates><year>2013</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[70,71]设计了基于SFQ的读出电路读出了四通道的SNSPD，如图1.21所示。读出电路根据实现功能可分为三大部分：输入信号、处理信号、电压驱动。输入信号部分采用MC-DC/SFQ转换器，转换器可以将接收到的信号转换为磁通量子信号，传输给后续SFQ电路处理分析。处理信号部分采用汇流缓冲器(ConfluenceBuffer，CB），CB的主要作用是汇集并暂存前级转换器传送的多路信号，并可以按照实际需要将信号转换为不同的逻辑。驱动电压部分采用SFQ/DC转换器，将磁通量子信号再转换为直流信号，便于后续电路对信号的处理。图1.21基于RSFQ的SNSPD读出电路结构示意图c、基于绝热磁通量子变参管绝热磁通量子变参管（AdiabaticQuantum-Flux-Parametron，简称AQFP），是一种基于约瑟夫逊结，由交流驱动的超导逻辑技术ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Hosoya</Author><Year>1991</Year><RecNum>146</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[72]</style></DisplayText><record><rec-number>146</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="wpzefaf5u5v50we2pdb5v0x5xxa29dzxvpff"timestamp="1619579675">146</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Hosoya,M</author><author>Hioe,W%JIEEETransactionsonAppliedSuperconductivity</author></authors></contributors><titles><title>Quantumfluxparametron:asinglequantumfluxdeviceforJosephsonsupercomputer</title></titles><pages>77-89</pages><volume>1</volume><number>2</number><dates><year>1991</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[72]，这种电路所需的驱动偏置电流不会随着电路尺寸增加而增大，因此可以应用于阵列读出。2017年，N.Takeuchi等人ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Takeuchi</Author><Year>2017</Year><RecNum>147</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[73]</style></DisplayText><record><rec-number>147</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="wpzefaf5u5v50we2pdb5v0x5xxa29dzxvpff"timestamp="1619580512">147</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Takeuchi,N.</author><author>Yamashita,T.</author><author>Miyajima,S.</author><author>Miki,S.</author><author>Terai,H.%JOpticsExpress</author></authors></contributors><titles><title>Adiabaticquantum-flux-parametroninterfaceforthereadoutofsuperconductingnanowiresingle-photondetectors</title></titles><pages>32650</pages><volume>25</volume><number>26</number><dates><year>2017</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[73]设计了如图1.22所示的基于AQFP的高灵敏读出电路。电路主要包含了比较器、异或门和电压驱动器。比较器是由一个以偏移输入电流为阈值电流的缓冲门组成。SNSPD响应发出的电流信号经过50Ω电阻后被比较器取样，如果大于则被计数为逻辑1，否则为0。但生成的逻辑信号的数量随SNSPD电流脉冲的形状和到达时间变化，不利于后期处理测量结果。于是采用了一个异或门，比较到达的最后一个信号和倒数第二个信号，若不同时则为1，即与的大小发生变化时才有逻辑信号1。这样逻辑1对的数量对应于SNSPD电流脉冲的数量，并且逻辑1对的间隔取决于其对应的SNSPD脉冲的形状和到达时间。其他放置在比较器和异或门之间的缓冲门是为了防止异或门的信号对比较器产生干扰。最后使用电压驱动器将逻辑1对放大到mV范围并从低温冷却器中发送。之后他们采用兼具高可扩展性和高时间分辨率优点的AQFP/RSFQ接口成功读出了四像元的SNSPDs。图1.22基于AQFP的阵列读出电路示意图d、基于射频读出方式2015年，SDoerner等人ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Doerner</Author><Year>2016</Year><RecNum>72</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[74]</style></DisplayText><record><rec-number>72</rec-number><foreign-keys><keyapp="EN"db-id="wpzefaf5u5v50we2pdb5v0x5xxa29dzxvpff"timestamp="1611754183">72</key></foreign-keys><ref-typename="JournalArticle">17</ref-type><contributors><authors><author>Doerner,Steffen</author><author>Kuzmin,Artem</author><author>Wuensch,Stefan</author><author>Ilin,Konstantin</author><author>Siegel,Michael%JIEEETransactionsonAppliedSuperconductivity</author></authors></contributors><titles><title>OperationofSuperconductingNanowireSingle-PhotonDetectorsEmbeddedinLumped-ElementResonantCircuits</title></titles><pages>1-5</pages><volume>26</volume><number>3</number><dates><year>2016</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[74]为了减少读出SNSPD阵列时所需的接线数量，将SNSPD与片上电容串联构成LC谐振电路实现读出。不同于以往的读出方式，SNSPD一直处于直流偏置的状态下，基于射频读出方式如图1.23所示，使用射频信号对其偏置。当SNSPD受到光子激发时，谐振频率处阻抗会发生变化，通过检测阻抗变化便可实现SNSPD的读出。(a)(b)图1.23基于射频读出方式的SNSPD结构及其等效电路图（a）结构示意图（b）等效电路图2017年，S.Doerner等人ADDINEN.CITE<EndNote><Cite><Author>Doerne</Author><Year>2017</Year><RecNum>102</RecNum><DisplayText><styleface="superscript">[75]</style></DisplayText><record><rec-number