专利摘要

专利摘要

本实用新型涉及一种可级联的低温低噪声电流脉冲放大器，脉冲放大器包括nTron器件、输入耦合电路、输出耦合电路和偏置电路，待检测的电流信号经输入耦合电路耦合至nTron的gate端，nTron的drain端经输出耦合电路连接至信号输出端口V_out，nTron的偏置电流通过偏置电路连接至nTron；信号输出端口直接输出信号或者与下一级脉冲放大器中输入耦合电路相连。本实用新型的可级联的低温低噪声电流脉冲放大器，工作在极低温环境下，几乎不引入额外噪声，对微弱电流脉冲信号实现一定的放大，提升了微弱电流脉冲信号的信噪比；并且系统具有可拓展性，可以通过级联实现不同的放大要求。

权利要求

1.一种可级联的低温低噪声电流脉冲放大器，其特征在于：脉冲放大器包括nTron器件、输入耦合电路、输出耦合电路和偏置电路，待检测的电流信号经输入耦合电路耦合至nTron的gate端，nTron的drain端经输出耦合电路连接至信号输出端口V_out，nTron的偏置电流通过偏置电路连接至nTron；信号输出端口直接输出信号或者与下一级脉冲放大器中输入耦合电路相连。

2.根据权利要求1所述的可级联的低温低噪声电流脉冲放大器，其特征在于：所述输入耦合电路包括电阻R1、电阻R2和电感L1，电阻R1和电阻R2串联，电感L1一端连接在电阻R1和电阻R2之间，另一端接地，待检测的电流信号连接电阻R1，电阻R2连接至nTron的gate端。

3.根据权利要求1所述的可级联的低温低噪声电流脉冲放大器，其特征在于：nTrongate端的偏置电流经过电阻R3连接至nTron的gate端。

4.根据权利要求1所述的可级联的低温低噪声电流脉冲放大器，其特征在于：所述nTron的source端接地，nTron的drain端连接有外部偏置电源，外部偏置电源与nTron的drain端之间串联有电阻R4和电感L2。

5.根据权利要求4所述的可级联的低温低噪声电流脉冲放大器，其特征在于：信号输出端口V_out与nTron的drain端之间设有输出耦合电路，输出耦合电路包括电阻R5和电感L3，电阻R5连接在电阻R4和电感L2之间，电感L3一端连接在电阻R5与外部读出电路之间，另一端接地。

6.根据权利要求5所述的可级联的低温低噪声电流脉冲放大器，其特征在于：当脉冲放大器级联时，前一级的输出耦合电路省略，后一级脉冲放大器的输入耦合电路中电阻R1直接连接前一级脉冲放大器的电阻R4和电感L2之间。

7.根据权利要求1所述的可级联的低温低噪声电流脉冲放大器，其特征在于：所述nTron的channel处最窄部位与gate相连。

8.根据权利要求1所述的可级联的低温低噪声电流脉冲放大器，其特征在于：脉冲放大器用于读取超导纳米线单光子探测器的信号，超导纳米线单光子探测器的输出信号连接脉冲放大器的电阻R1。

9.根据权利要求8所述的可级联的低温低噪声电流脉冲放大器，其特征在于：所述超导纳米线单光子探测器的偏置电流通过电阻与超导纳米线单光子探测器连接。

说明书

技术领域

本实用新型涉及超导纳米线单光子探测器输出脉冲信号的低温放大领域，尤其涉及一种可级联的低温低噪声电流脉冲放大器。

背景技术

SNSPD(超导纳米线单光子探测器)是一种光子计数探测器，是在光子尺度对光信号进行探测、分析和处理，其输出信号不能够直接被探测到，必须使用低噪声放大器进行放大。现有技术中常规的放大方式是使用室温低噪声放大器，但室温放大器的噪声系数限制了其输出的信噪比，并影响光子探测信息的读取；若采用低温半导体射频放大器，放大器的功耗将增加了制冷系统的负担，不利于大规模的阵列器件集成。因此，需要在低温环境下，寻找一个低功耗、增益高、噪声低的电流脉冲放大器。

实用新型内容

为解决现有的技术问题，本实用新型提供了一种可级联的低温低噪声电流脉冲放大器。

本实用新型的具体内容如下：

一种可级联的低温低噪声电流脉冲放大器，脉冲放大器包括nTron器件、输入耦合电路、输出耦合电路和偏置电路，待检测的电流信号经输入耦合电路耦合至nTron的gate端，nTron的drain端经输出耦合电路连接至信号输出端口V_out，nTron的偏置电流通过偏置电路连接至nTron；信号输出端口直接输出信号或者与下一级脉冲放大器中输入耦合电路相连。

进一步的，所述输入耦合电路包括电阻R1、电阻R2和电感L1，电阻R1和电阻R2串联，电感L1一端连接在电阻R1和电阻R2之间，另一端接地，待检测的电流信号连接电阻R1，电阻R2连接至nTron的gate端。

进一步的，nTron的gate端的偏置电流经过电阻R3连接至nTron的gate端。

进一步的，所述nTron的source端接地，nTron的drain端连接有外部偏置电源，外部偏置电源与nTron的drain端之间串联有电阻R4和电感L2。

进一步的，信号输出端口V_out与nTron的drain端之间设有输出耦合电路，输出耦合电路包括电阻R5和电感L3，电阻R5连接在电阻R4和电感L2之间，电感L3一端连接在电阻R5与外部读出电路之间，另一端接地。

进一步的，当脉冲放大器级联时，前一级的输出耦合电路省略，后一级脉冲放大器的输入耦合电路中电阻R1直接连接前一级脉冲放大器的电阻R4和电感L2之间。

进一步的，所述nTron的channel处最窄部位与gate相连。

进一步的，脉冲放大器用于读取超导纳米线单光子探测器的信号，超导纳米线单光子探测器的输出信号连接脉冲放大器的电阻R1。

进一步的，所述SNSPD的偏置电流通过电阻与SNSPD连接。

本实用新型的可级联的低温低噪声电流脉冲放大器，工作在极低温环境下，几乎不引入额外噪声，对微弱信号实现一定的放大，提升了微弱信号的信噪比；并且系统具有可拓展性，可以通过级联实现不同的放大要求。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做进一步阐明。

图1为本实用新型的可级联的低温低噪声电流脉冲放大器的示意图；

图2为本实用新型的nTron的扫描电子束显微镜图；

图3为本实用新型的脉冲放大器测量超导纳米线单光子探测器信号的示意图；

图4为图3的波形图；

图5为本实用新型的脉冲放大器级联后测量超导纳米线单光子探测器信号的示意图；

图6为图5的波形图。

具体实施方式

本实施例公开了一种可级联的低温低噪声电流脉冲放大器，如图1所示，包括nTron器件、输入耦合电路、输出耦合电路和偏置电路，待检测的电流信号经输入耦合电路耦合至nTron的gate端，nTron的drain端经输出耦合电路连接至信号输出端口V_out，nTron的偏置电流通过偏置电路连接至nTron；信号输出端口直接输出信号或者与下一级脉冲放大器中输入耦合电路相连。

图2所示为本申请中的nTron扫描电镜图。如图所示，单个器件nTron是一种超导纳米线三端子器件，用一个输入gate电流控制channel端电阻的变化，实现具有门控功能的逻辑开关。nTron的gate端接收电流信号，source端接地，drain端连接偏置电流。nTron用一个小范围热岛的形成来调控与之垂直的超导线的电流，超导线快速地转变成电阻态使其可以驱动大阻抗负载，同时具有较强的扇出能力。其channel偏置在超导临界电流附近略低于临界电流，当gate端的电流脉冲到达器件的choke处时，由于此处纳米线宽小于channel数倍，其临界电流也会相应较小，当输入电流脉冲大于该处临界电流时首先导致choke处失超，由于热扩散的作用，很快在channel形成较大的电阻区，即热岛。该热岛的形成使得偏置电流流向负载端驱动负载。由于低温环境的冷却，正常状态下热岛很快再次消失，偏置电流逐渐恢复至channel，nTron恢复其工作状态。至此nTron便完成了一次触发。

如图2所示为本申请中的nTron扫描电镜图，相比早期的nTron结构(A.N.McCaughan and K.K.Berggren,"A superconducting-nanowire three-terminalelectrothermal device.,"Nano Lett.14(10),5748–53(2014).)，本申请在gate和channel连接的地方进行了优化设计，将channel最窄的部位与gate连接，确保gate失超的时候热岛形成的位置是在与nTron连接的部位，从而诱发channel整体的失超，完成nTron的一次工作。

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)是一种光子计数探测器，即每次光探测输出一个电脉冲，脉冲的幅度并不携带额外信息，测量时关注的是脉冲的到达时刻。而nTron的工作原理，从上述阐述可知，是一种带增益的开关，或者看成是比较器，能够实现极微小电脉冲信号的读取。本实施例利用带有nTron的脉冲放大器实现SNSPD信号的有效读取。

具体的，脉冲放大器包括四个端口，其中，端口V_in为输入信号端口，即待检测的SNSPD的输出信号通过此端口经过耦合触发nTron，产生输出脉冲；端口I_gb为输入信号灵敏度的调整端口，通过在端口I_gb改变触发nTron的gate端所需的电流大小，实现对输入电流幅度的检测；端口I_cb为nTron提供电源，为nTron的Channel提供偏置电流I-bias；信号输出端口V_out输出信号，其既可与下一级的脉冲放大器的V_in端口，也可直接输出信号，实际使用中可根据需要自由选择级联或者单级检测。

端口V_in与nTron的gate端之间设置电阻R1、电阻R2和电感L1，电阻R1和电阻R2串联，电感L1一端连接在电阻R1和电阻R2之间，另一端接地，本实施例的一个典型取值是电阻R1和电阻R2为20Ω，电感L1为100nH，实际使用中可根据需要对电阻和电感的取值进行调整。

电阻R1和电阻R2，保证了gate触发前电路的隔离，其足够小的取值也保证了待检测电流脉冲可以正常耦合到nTron的gate端口；输入部分的电感L1为gate触发后的恢复提供了电流泄放通路，同时在高速的待检测信号输入时表现为大阻抗，信号可以正常耦合到nTron的gate端。

端口I_gb与nTron的gate端之间设有电阻R3，此端口可为nTron的gate端提供偏置电流，从而实现对脉冲放大器输入灵敏度的调控，当输入信号足够大时，gate的偏置电流可以取消，本实施例的一个典型取值是电阻R3阻值为10kΩ，实际使用中可根据需要对电阻的取值进行调整。

端口I_cb与nTron的drain端之间设有串联的电阻R4和电感L2。端口I_cb的外部电源提供的电流I_bias是为nTron的Channel提供偏置电流，在nTron接收电流脉冲形成热岛后流向信号输出端口V_out，实现信号的输出。本实施例的一个典型取值是电阻R4阻值为10kΩ，电感L2为300nH，实际使用中可根据需要对电阻和电感的取值进行调整。

在信号输出后经过一个输出耦合电路到达信号输出端口V_out，该输出耦合电路包括串联的电阻R5和电感L3，电阻R5一端连接在电阻R4与电感L2之间，电感L3的一端接地，信号输出端口V_out设置在电阻R5与电感L3之间。由于SNSPD的探测关注的脉冲的到达时刻是在上升沿获取的，该输出耦合电路将输出信号中的低频成分过滤，可实现工作速度的提升。

对于单个的脉冲放大器或者级联后的放大器，输出端口V_out可以直接连接至示波器进行读取，也可经同轴线连接至室温LNA(low noise amplifier，低噪声放大器)，实现信号的继续放大。

当脉冲放大器级联时，电阻R5和电感L2可去除，因为其作用与电阻R1和电感L1相似，在级联时后一级的电阻R1和电感L1提供了直接输出时前一级nTron输出端的电流触发后的电流泄放通路，因此级联时可将这两个元件省略。本实施例的一个典型取值是电阻R5为20Ω，电感L3为100nH，实际使用中可根据需要对电阻和电感的取值进行调整。

如图3所示为单个脉冲放大器测量SNSPD信号的示意图，SNSPD的电源经过10kΩ的电阻后驱动SNSPD，图4为其波形图，其中，黑色线为SNSPD直接输出的信号，灰色线为nTron读出的SNSPD信号，可以看到，在几乎不引入额外噪声的情况下，nTron读出的SNSPD信号和直接用SNSPD的输出接外部放大器的信号相比，获得了2.6倍(8.3dB)放大增益，提高了信噪比。

如图5所示为两个脉冲放大器级联测量SNSPD信号的示意图，SNSPD的电源经过10kΩ的电阻后驱动SNSPD，图6为其波形图，其中浅灰色线为级联后的波形图，与图4进行了对比，可以看出级联后的脉冲放大器实现了进一步的放大,总放大增益达到7.6倍(17.6dB)。

对比目前的普遍采用的低噪声放大器放大信号再在常温下进行采用的读出方案，我们设计的电流检鉴别器工作在极低温环境下，几乎不引入额外噪声，对微弱信号实现一定的放大，提升了微弱信号的信噪比；并且系统具有可拓展性，可以通过级联实现不同的放大要求。同时SNSPD在往阵列化发展的过程中，需要将放大、复用技术等集成到片上，在这些应用中，nTron由于具备低功耗，小尺寸，并且同为超导材料，因此非常利于大规模集成，即将阵列中的SNSPD每个信号都经过SNSPD放大。因此本实施例的脉冲放大器，具有很高的经济效益。

在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型。但是以上描述仅是本实用新型的较佳实施例而已，本实用新型能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本实用新型不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。

一种可级联的低温低噪声电流脉冲放大器专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。