СПОСОБ ПРЕЦИЗИОННОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ФОТОННОГО ДЕТЕКТОРА
METHOD FOR PRECISION POSITIONING OF SENSITIVE ELEMENT OF PHOTON DETECTOR

Изобретение относится к способам, позволяющим производить совмещение фотонных детекторов относительно оптического излучения, и может быть использовано в системах оптической волоконной связи на больших расстояниях, в телекоммуникационных технологиях, в системах защиты передаваемой информации с помощью систем квантовой криптографии, в диагностике и тестировании больших интегральных схем, электронике, спектроскопии одиночных молекул, анализе излучения квантовых точек в полупроводниковых наноструктурах, астрономии и медицине.
Из уровня техники известен быстродействующий однофотонный детектор (см. RU 2300825, кл. H01L 31/101, опубл. 10.06.2007 [1]).
В известном решении [1] при поглощении сверхпроводником фотона происходит разрушение куперовской пары. Сверхпроводимость на короткое время подавляется в малой по сравнению с шириной части полоски и образуется "горячее пятно". В этой области появляется сопротивление, величина которого соответствует сопротивлению пленки, из которой выполнены полоска и дополнительная полоска в нормальном состоянии. Если в это время через полоски пропущен ток, близкий к критическому току распаривания, то происходит его перераспределение по оставшейся в сверхпроводящем состоянии части пленки, и величина плотности тока в сверхпроводящей области начинает превышать критическую. В результате все сечение полоски переходит в нормальное состояние и в детекторе появляется электрическое сопротивление, которое сопровождается импульсом напряжения. В результате работы известного устройства [1] повышается чувствительность и быстродействие.
Из уровня техники известен сверхпроводниковый фотонный детектор видимого и инфракрасного диапазонов излучения, различающий число фотонов (см. RU 2346357, кл. H01L 39/02, опубл. 10.02.2009 [2]).
В известном решении [2] в рабочем режиме детектор имеет температуру ниже температуры сверхпроводящего перехода. Через полоски пропускается транспортный ток, близкий к критическому. При поглощении сверхпроводником фотона происходит разрушение куперовской пары и образуется электрон, обладающий энергией, близкой к энергии фотона. Посредством электрон-электронного и электрон-фотонного взаимодействий этот электрон релаксирует по энергии, разрушая куперовские пары и приводя к каскадному размножению квазичастиц. В результате сверхпроводимость на короткое время подавляется в малой по сравнению с шириной части одной из полосок и образуется «горячее пятно». В этой области появляется сопротивление, величина которого соответствует сопротивлению пленки, из которой выполнены полоски в нормальном состоянии. Если в это время через полоску пропущен ток, близкий к критическому, то происходит его перераспределение по оставшейся в сверхпроводящем состоянии части пленки. Величина плотности тока в сверхпроводящей области начинает превышать критическую, и все сечение этой полоски переходит в нормальное состояние. Поскольку сопротивление этой полоски вместе с ее полосковым резистором становится больше, чем у остальных полосок, ток начинает перераспределяться между полосками: в полоске, поглотившей фотон, ток падает, а в остальных полосках растет. Благодаря наличию кинетической индуктивности полосок, а также благодаря полосковым резисторам, возникшее дополнительное сопротивление полоски, поглотившей фотон, не шунтируется остальными полосками, что приводит к увеличению напряжения на контактах. Этот скачок напряжения свидетельствует о регистрации фотона. Величина полосковых резисторов подбирается таким образом, чтобы при перераспределении между полосками ток в этих полосках не достигал критического.. Импульс напряжения, возникающий в момент поглощения фотона, поступает в схему регистрации. В результате работы известного устройства [2] обеспечивается возможность регистрации числа фотонов, одновременно упавших на детектор, при одновременном повышении быстродействия детектора.
Однако при осуществлении известных решений [1] и [2] в случае изменения уровня падающей мощности на чувствительный элемент сверхпроводникового однофотонного детектора происходит возникновение эффекта "электронного разогрева" в чувствительном элементе детектора и изменение температуры электронов чувствительного элемента детектора с частотой, соответствующей изменению уровня падающей мощности. Изменение "электронной температуры" чувствительного элемента детектора происходит в широком интервале температур, включая нормальные условия. Таким образом, технико-эксплуатационные характеристики известных детекторов снижаются.
Задачей изобретения является повышение технико-эксплуатационных характеристик детектора.
Техническим результатом, который может быть получен при выполнении данного способа позиционирования, является устранение эффекта "электронного разогрева" и стабилизация температуры электронов чувствительного элемента детектора.
Указанная задача и технический результат достигаются тем, что способ прецизионного позиционирования чувствительного элемента фотонного детектора относительно амплитудно-модулированного оптического излучения включает смещение чувствительного элемента фотонного детектора постоянным током с последующей регистрацией электрического сигнала, возникающего на контактах детектора на частоте модуляции излучения, при этом полученный сигнал используют как параметр, определяющий качество позиционирования.
При позиционировании чувствительного элемента фотонного детектора относительно пучка амплитудно-модулированного излучения с размером сечения, совпадающим с размером чувствительной области детектора (например, излучения светопроводящей сердцевины оптического волокна или фокального заужения пучка, распространяющегося в свободном пространстве), в качестве параметра, определяющего качество совмещения в данном изобретении предлагается использовать величину электрического сигнала, который возникает на контактах детектора на частоте модуляции излучения, причем максимум сигнала соответствует наилучшему совмещению. Возникающий электрический сигнал - на контактах детектора пропорционален абсолютному изменению уровня падающей на чувствительный элемент мощности и току смещения.
Таким образом, зная геометрические размеры, характер распределения мощности в световом пучке, а также по возможности максимальное значение сигнала, возможно определить соответствующее расстояние, на которое детектор рассовмещен со световым пучком и тем самым при работе детектора производить соответствующую корректировку, избегая тем самым эффекта "электронного разогрева" в чувствительном элементе детектора и дестабилизации температуры электронов чувствительного элемента детектора.
Величина смещения детектора устанавливается такой, чтобы обеспечить минимально необходимый уровень напряжения выходного сигнала для последующего его усиления и считывания с измерительной аппаратуры. Так, минимальный ток смещения составляет 1 мкА, а напряжение смещения 1 В. Выходной сигнал составляет единицы микровольт при мощности падающего оптического излучения 1 мВт.
Осуществляется предлагаемый способ прецизионного позиционирования чувствительного элемента фотонного детектора следующим образом.
Смещение детектора происходит при помощи источника постоянного напряжения, включенного в цепь последовательно соединенных детектора и резистора с сопротивлением 1 МОм. Выходной сигнал снимается с детектора. Чувствительный элемент представляет из себя структуру в виде меандра размером 10 мкм×10 мкм из последовательно соединенных мостиков NbN шириной 50 нм и длиной 10 мкм. Толщина мостика составляет 3,5-4 нм. Чувствительный элемент вместе с золотыми контактами для его смещения расположены на подложке кремния толщиной 400 мкм, длиной и шириной несколько миллиметров.
Теоретически возможно оценить эффективность согласования сверхпроводникового однофотонного детектора с одномодовым оптоволокном.
Пространственное распределение электрического поля в одномодовом волокне хорошо описывается гауссовым приближением:
0
где z - расстояние от детектора до световода, r - расстояние от оси волокна до точки, в которой вычисляется напряженность поля, r - радиус модового поля, который характеризует характерное размытие электрического поля в одномодовом волокне. Поскольку интенсивность излучения пропорциональна квадрату электрического поля, то
Для 1.2<V<2.4 радиус модового поля вычисляется по приближенной формуле:
где α - радиус кора (светонесущей части) волокна,  - длина волны, NA - числовая апертура волокна.
Таким образом, зная распределение интенсивности излучения I(r, z), можно рассчитать полную мощность излучения, приходящуюся на чувствительный элемент детектора в виде квадратной площадки с длиной стороны b в зависимости от величины рассогласования d чувствительного элемента и оптического волокна. Рассогласование определяется как расстояние между центром оптического волокна и центром чувствительного элемента. С другой стороны, напряжение выходного сигнала с детектора U пропорционально поглощенной мощности излучения:
где интегрирование проводится только по площади засветки S чувствительного элемента. Вычисления проводятся для случая z=0 (детектор вплотную прижат к оптическому волокну). Тогда зависимость напряжения выходного сигнала от величины рассогласования приводится к следующему виду:
Коэффициент ко вычисляется из условия максимума напряжения при нулевом рассогласовании. Рассогласование d измеряется при помощи микрометрического винта с точностью 0.5 мкм, который осуществляет смещение держателей детектора и волокна относительно друг друга.
Предлагаемый способ позволяет производить совмещение сверхпроводниковых однофотонных детекторов, быстродействующих сверхпроводниковых однофотонных детекторов, быстродействующих сверхпроводниковых однофотонных детекторов с полосковыми резисторами, а также сверхпроводниковых фотонных детекторов видимого и инфракрасного диапазонов излучения, различающих число фотонов.