RU2530468C1 - Method of parameter measurement for single-photon infrared band emission sources - Google Patents

Abstract

FIELD: measuring instrumentation.

SUBSTANCE: parameters of emission source are measured by single-photon superconductor detector. To implement the method, mean number of counts and number of dark responses of detector are measured. Number of photons registered is determined as a difference between mean number of counts and number of dark responses. Emission power is determined by multiplying number of registered photons by photon energy divided by quantum efficiency of emission receiver.

EFFECT: enhanced measurement accuracy and possible measurement of small power emission.

2 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к способам измерения параметров слабых потоков излучения в диапазоне частот от видимого света до ближнего инфракрасного, например для измерения мощности лазеров на квантовых точках. Изобретение может применяться как при проведении научных исследований, так и для сертификации изделий и продукции наноэлектроники и нанофотоники.The invention relates to the field of measurement technology, and in particular to methods of measuring parameters of weak radiation fluxes in the frequency range from visible light to near infrared, for example, for measuring the power of quantum dot lasers. The invention can be applied both during scientific research and for certification of products and products of nanoelectronics and nanophotonics.

Известен тепловой способ измерения энергетических параметров лазерного излучения, основанный на использовании в качестве приемника излучения слоя жидкости со свободной поверхностью на поглощающей излучение нетеплопроводной подложке (Пат. РФ 2178155, МПК⁷ G01J 1/00, публ. 09.04.2001). Поглощаемая мощность лазерного пучка приводит к развитию в жидкости термокапиллярного конвективного вихря, что вызывает появление интерференционной картины и по эволюции диаметра этой картины определяют мощность излучения. Основным недостатком предлагаемого способа является недостаточная чувствительность, т.е. невозможность измерить малые мощности излучения порядка мкВт.A known thermal method for measuring the energy parameters of laser radiation, based on the use of a radiation layer of a liquid with a free surface on a radiation-absorbing non-conductive substrate (Pat. RF 2178155, IPC ⁷ G01J 1/00, publ. 09.04.2001). The absorbed power of the laser beam leads to the development of a thermocapillary convective vortex in the liquid, which causes the appearance of an interference pattern and the radiation power is determined from the evolution of the diameter of this pattern. The main disadvantage of the proposed method is the lack of sensitivity, i.e. the inability to measure low radiation powers of the order of μW.

Также известен способ определения потока электромагнитного излучения в спектральном интервале от оптического до миллиметрового (пат. РФ 2065141, МПК⁶ G01J 5/20, публ. 10.08.1996), основанный на преобразовании энергии электромагнитного излучения в тепловую приемным элементом, имеющим переход из резистивного состояния в сверхпроводящее. Способ заключается в воздействии на приемный элемент потоком электромагнитного излучения и определении величины этого потока по изменению параметра приемного элемента благодаря тому, что предварительно определяют эталонную зависимость интервала времени достижения приемным элементом критической температуры при воздействии на него потоком эталонного электромагнитного излучения ИК диапазона, затем измеряют интервал времени достижения приемным элементом критической температуры при воздействии на него определяемого потока электромагнитного излучения, по которому с помощью эталонной зависимости определяют величину потока. Предложенный способ, как заявляют авторы, дает возможность практически абсолютного определения электромагнитного излучения, но при этом не позволяет определить мощность полученного излучения, особенно это касается излучения сверхмалых величин мощности порядка мкВт и меньше.Also known is a method for determining the flow of electromagnetic radiation in the spectral range from optical to millimeter (US Pat. RF 2065141, IPC ⁶ G01J 5/20, publ. 10.08.1996), based on the conversion of electromagnetic radiation energy into thermal by a receiving element having a transition from a resistive state into superconducting. The method consists in exposing the receiving element to a stream of electromagnetic radiation and determining the magnitude of this stream by changing the parameter of the receiving element due to the fact that the reference dependence of the time interval before the receiving element reaches a critical temperature when it is exposed to the reference electromagnetic radiation of the IR range is preliminarily determined, then the time interval the receiving element reaches a critical temperature when exposed to a defined flow of electro agnitnogo radiation by which using the reference value is determined depending on the flow. The proposed method, as the authors claim, makes it possible to almost completely determine electromagnetic radiation, but it does not allow to determine the power of the received radiation, especially for ultra-low power radiation of the order of μW or less.

Для регистрации слабого электромагнитного излучения, в том числе ИК диапазона, и измерения сверхмалых величин мощности такого излучения используют сверхпроводниковые однофотонные детекторы. Известны однофотонные детекторы, в которых чувствительный элемент выполнен в виде тонкой сверхпроводящей полоски различной топологии (пат. РФ 2346357, МПК H01L 39/02, публ. 10.02.2009, пат. США 6812464, МПК G01J 1/02, H01L 39/00, публ. 02.11.2004). Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому способу измерения параметров является способ обнаружения фотонов на основе сверхпроводникового однофотонного детектора (пат. США 7049593, МПК H01L 39/00, G01J 1/42, публ. 23.05.2006). В известном патенте заявлен сверхпроводниковый однофотонный детектор с временным разрешением и хорошей квантовой эффективностью и способ регистрации фотонов с длинами волн от видимой до дальней ИК области спектра на основе этого разработанного детектора.To register weak electromagnetic radiation, including the infrared range, and measure ultra-small power values of such radiation, superconducting single-photon detectors are used. Single-photon detectors are known in which the sensitive element is made in the form of a thin superconducting strip of various topologies (US Pat. RF 2346357, IPC H01L 39/02, publ. 10.02.2009, US Pat. 6812464, IPC G01J 1/02, H01L 39/00, published on November 2, 2004). The closest analogue in technical essence to the proposed method of measuring parameters is a method for detecting photons based on a superconducting single-photon detector (US Pat. US 7049593, IPC H01L 39/00, G01J 1/42, publ. 23.05.2006). A well-known patent claims a superconducting single-photon detector with a time resolution and good quantum efficiency and a method for recording photons with wavelengths from the visible to far infrared spectral regions based on this developed detector.

Способ прототип обнаружения падающего от источника излучения фотона включает следующие этапы. Сверхпроводящую полоску поддерживают при температуре ниже ее критической, подают электрическое смещение на уровне чуть ниже критического тока для данной сверхпроводящей полоски, что позволяет повысить чувствительность детектора, и постоянно поддерживают ее в сверхпроводящем состоянии. При поглощении фотона в небольшой области полоски сверхпроводимость подавляется и появляется «горячее пятно», при этом происходит перераспределение тока и его плотность превышает критическую. Т.к. полоска очень узкая, «горячее пятно» перекрывает сечение полоски и возникает резистивная область, что сопровождается импульсом напряжения. В течение небольшого времени «горячее пятно» исчезает, сверхпроводимость восстанавливается, и детектор вновь готов к регистрации очередного фотона. Возникающие выходные импульсы напряжения усиливают, записывают и подают на систему сбора и обработки данных, в итоге получают информацию о наличие и количестве принятых детектором фотонов.The prototype method of detecting a photon incident from a radiation source includes the following steps. The superconducting strip is maintained at a temperature below its critical level, an electric bias is applied at a level just below the critical current for a given superconducting strip, which improves the sensitivity of the detector, and is constantly maintained in the superconducting state. When a photon is absorbed in a small region of the strip, superconductivity is suppressed and a “hot spot” appears, with the current being redistributed and its density exceeding the critical one. Because the strip is very narrow, a “hot spot” overlaps the section of the strip and a resistive region appears, which is accompanied by a voltage pulse. Within a short time, the “hot spot” disappears, superconductivity is restored, and the detector is again ready to register another photon. The resulting output voltage pulses are amplified, recorded, and fed to a data acquisition and processing system; as a result, information is obtained on the presence and number of photons received by the detector.

Основным недостатком способа прототипа является невозможность получить количественную оценку принятой от источника величины излучения, т.е. определить мощность.The main disadvantage of the prototype method is the inability to obtain a quantitative estimate of the radiation value received from the source, i.e. determine power.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа измерения с достаточной точностью параметров однофотонных источников излучения инфракрасного диапазона спектра, причем в первую очередь разработка способа измерения малых мощностей излучения до уровня 10^-12 - 10^-8 Вт в диапазоне длин волн 800-1600 нм.The objective of the invention is the development of a method for measuring with sufficient accuracy the parameters of single-photon sources of radiation in the infrared range of the spectrum, and in the first place, the development of a method for measuring small radiation powers up to the level of 10 ^-12 - 10 ^-8 W in the wavelength range of 800-1600 nm.

Технический результат в предлагаемом способе измерения параметров однофотонных источников излучения, как и в способе прототипе, основанном на использовании в качестве чувствительного элемента однофотонного сверхпроводникового детектора, достигается за счет того, что измеряют количество фотонов, зарегистрированных за определенный промежуток времени. В качестве чувствительного элемента используют однофотонный детектор на основе сверхпроводниковых наноструктур на основе тонкой (4 нм) сверхпроводящей пленки NbN на сапфировой подложке. Такой детектор обладает высокой чувствительностью и малым уровнем темновых отсчетов, т.е. количеством ложных срабатываний в единицу времени (квантовая эффективность 30%, уровень темновых отсчетов 0,01 с^-1). Кроме того, детектор является широкополосным, его чувствительность остается постоянной в диапазоне частот от видимого света до ближнего инфракрасного (ИК).The technical result in the proposed method for measuring the parameters of single-photon radiation sources, as in the prototype method, based on the use of a single-photon superconductor detector as a sensitive element, is achieved by measuring the number of photons detected over a certain period of time. A single-photon detector based on superconducting nanostructures based on a thin (4 nm) superconducting NbN film on a sapphire substrate is used as a sensitive element. Such a detector has high sensitivity and a low level of dark readings, i.e. the number of false positives per unit time (quantum efficiency 30%, level of dark readings 0.01 s ^-1 ). In addition, the detector is broadband, its sensitivity remains constant in the frequency range from visible light to near infrared (IR).

Новым в разработанном способе измерения параметров является то, что определяют мощность Р однофотонного источника излучения какNew in the developed method for measuring parameters is that they determine the power P of a single-photon radiation source as

$$P=\frac{N_c-N_T}{\eta }hv,\text{ (1)}$$

$$P=\frac{N_c-N_T}{\eta }hv,\text{(one)}$$

где N_c - среднее число отсчетов сверхпроводникового детектора в единицу времени, N_T - число темновых срабатываний детектора, hv - энергия фотона, η -рассчитанная квантовая эффективность однофотонного сверхпроводникового детектора, для получения которой предварительно калибруют установку для измерений.where N _c is the average number of samples of the superconductor detector per unit time, N _T is the number of dark detections of the detector, hv is the photon energy, η is the calculated quantum efficiency of the single-photon superconductor detector, to obtain which the setup for measurements is pre-calibrated.

В частном случае реализации разработанного способа целесообразно использовать в качестве чувствительного элемента однофотонный сверхпроводниковый детектор, содержащий подложку, контактные площадки, размещенные на подложке, выполненную из пленки сверхпроводника полоску, расположенную на подложке между контактными площадками, толщину полоски выбрать порядка длины когерентности, а ширину полоски - меньше глубины проникновения магнитного поля, при этом полоску изготавливают в форме меандра, заполняющего площадь 10 мкм × 10 мкм со скважностью 60%.In the particular case of the implementation of the developed method, it is advisable to use a single-photon superconducting detector as a sensitive element containing a substrate, contact pads placed on a substrate, a strip made of a superconductor film located on a substrate between contact pads, the strip thickness to choose on the order of coherence length, and the strip width to choose less than the depth of penetration of the magnetic field, while the strip is made in the form of a meander filling an area of 10 μm × 10 μm from wells Stu 60%.

Таким образом, технический результат, обеспечиваемый разработанным способом измерения параметров однофотонных источников излучения, заключающийся в возможности измерять малые величины мощности излучения с высокой точностью, обеспечивается за счет измерения количества фотонов, зарегистрированных за определенный промежуток времени и определения мощности излучения как произведения количества зарегистрированных фотонов на энергию фотона.Thus, the technical result provided by the developed method for measuring the parameters of single-photon radiation sources, which consists in the ability to measure small values of the radiation power with high accuracy, is achieved by measuring the number of photons detected over a certain period of time and determining the radiation power as the product of the number of registered photons by energy photon.

Разработанный способ поясняется следующими фигурами:The developed method is illustrated by the following figures:

На фиг.1 представлена схема измерения мощности калибровочного источника излучения.Figure 1 presents a diagram of a power measurement of a calibration radiation source.

На фиг.2 представлена схема калибровка первого аттенюатора с фиксированным ослаблением.Figure 2 presents a diagram of the calibration of the first attenuator with a fixed attenuation.

На фиг.3 представлена схема калибровки второго перестраиваемого оптического аттенюатора и повторного измерения мощности калибровочного источника излучения.Figure 3 presents the calibration scheme of the second tunable optical attenuator and re-measuring the power of the calibration radiation source.

На фиг.4 представлена схема для измерения квантовой эффективности η сверхпроводникового однофотонного детектора.Figure 4 presents a diagram for measuring the quantum efficiency η of a superconducting single-photon detector.

На фиг.5 представлена схема для измерения мощности исследуемого источника излучения.Figure 5 presents a diagram for measuring the power of the investigated radiation source.

На фиг.6 представлено изображение сверхпроводящей полоски однофотонного детектора, используемого в качестве чувствительного элемента согласно п.2 формулы, полученное с помощью растрового электронного микроскопа.Figure 6 presents the image of a superconducting strip of a single-photon detector used as a sensing element according to claim 2 of the formula, obtained using a scanning electron microscope.

Разработанный способ измерения параметров однофотонных источников излучения реализуется следующим образом. Вначале каждой серии измерений мощности исследуемого однофотонного источника излучения для повышения точности измерений проводят калибровку установки, включающую измерение мощности известного источника излучения, калибровку первого и второго оптических аттенюаторов. После чего определяют квантовую эффективность η чувствительного элемента измерительной установки. На основе полученных предварительно данных измеряют мощность излучения исследуемого однофотонного источника излучения и определяют относительную погрешность измерений мощности.The developed method for measuring the parameters of single-photon radiation sources is implemented as follows. At the beginning of each series of power measurements of the studied single-photon radiation source, in order to increase the accuracy of measurements, the installation is calibrated, including the measurement of the power of a known radiation source, calibration of the first and second optical attenuators. Then determine the quantum efficiency η of the sensitive element of the measuring installation. Based on the preliminary data obtained, the radiation power of the investigated single-photon radiation source is measured and the relative error of the power measurements is determined.

Согласно схеме, представленной на фиг.1, производят измерение мощности калибровочного источника излучения - лазерного диода 1, к которому подключен источник питания 2. Диод 1 укрепляют на входе оптоволоконного шнура 3, выход которого подключают ко входу оптического измерителя мощности 4 и измеряют мощность диода 1. Затем между оптоволоконным шнуром 3 и измерителем мощности 4 включают первый калибруемый аттенюатор 5 с фиксированной величиной ослабления и оптоволоконный шнур 6 (фиг.2).According to the scheme shown in figure 1, the power of the calibration radiation source is measured - a laser diode 1, to which the power source 2 is connected. The diode 1 is strengthened at the input of the fiber optic cord 3, the output of which is connected to the input of the optical power meter 4 and the power of the diode 1 is measured Then, between the fiber-optic cord 3 and the power meter 4, a first calibrated attenuator 5 with a fixed attenuation value and a fiber-optic cord 6 are included (FIG. 2).

Коэффициент ослабления К (в разах) первого аттенюатора 5 с фиксированным ослаблением находят по формуле:The attenuation coefficient K (in times) of the first attenuator 5 with a fixed attenuation is found by the formula:

$$K=\frac{I_1-I_{01}}{I_2-I_{02}}\text{ (2a)}$$

$$K=\frac{I_{\mathrm{one}}-I_{01}}{I_2-I_{02}}\text{(2a)}$$

где I₁, I₂ - мощности на выходе оптического измерителя мощности 4 при включенном диоде 1 без аттенюатора 5 (все величины с индексом "1") и с аттенюатором 5 (величины с индексом "2"), I₀₁, I₀₂ - мощности на выходе оптического измерителя мощности 4 при выключенном калибровочном диоде 1.where I ₁ , I ₂ - power at the output of the optical power meter 4 when the diode 1 is on without attenuator 5 (all values with index "1") and with attenuator 5 (values with index "2"), I ₀₁ , I ₀₂ - power at the output of the optical power meter 4 with the calibration diode 1 turned off.

По схеме, представленной на фиг.3, калибруют второй перестраиваемый аттенюатор 7 аналогично первому аттенюатору 5. Для этого лазерный диод 1 с подключенным источником питания 2 укрепляют на входе оптоволоконного шнура 3, далее подсоединяют второй калибруемый аттенюатор 7. Выход аттенюатора 7 с помощью оптоволоконного шнура 6 подключают ко входу измерителя мощности излучения 4. Для второго аттенюатора 7 находят коэффициент ослабления К по формуле:According to the scheme shown in Fig. 3, the second tunable attenuator 7 is calibrated similarly to the first attenuator 5. For this, the laser diode 1 with the connected power supply 2 is strengthened at the input of the fiber optic cord 3, then the second calibrated attenuator 7 is connected. The output of the attenuator 7 using the fiber optic cord 6 connect to the input of the radiation power meter 4. For the second attenuator 7 find the attenuation coefficient K by the formula:

$$K=\frac{I_1-I_{01}}{I_2-I_{02}}\text{ (2б)}$$

$$K=\frac{I_{\mathrm{one}}-I_{01}}{I_2-I_{02}}\text{(2b)}$$

где I₁, I₂ - мощности на выходе оптического измерителя мощности 4 при включенном диоде 1 без аттенюатора 7 (все величины с индексом "1") и с аттенюатором 7 (величины с индексом "2"), I₀₁, I₀₂ - мощности на выходе оптического измерителя мощности 4 при выключенном калибровочном диоде 1.where I ₁ , I ₂ - power at the output of the optical power meter 4 when the diode 1 is on without attenuator 7 (all values with index "1") and with attenuator 7 (values with index "2"), I ₀₁ , I ₀₂ - power at the output of the optical power meter 4 with the calibration diode 1 turned off.

После измерений мощности оптоволоконный шнур 3, второй оптический аттенюатор 7 и оптоволоконный шнур 6 от диода 1 не отсоединяют. В случае отсоединения процедуру измерения мощности калибровочного лазерного диода 1 повторяют снова.After power measurements, the fiber optic cord 3, the second optical attenuator 7 and the fiber optic cord 6 are not disconnected from the diode 1. If disconnected, the power measurement procedure of the calibration laser diode 1 is repeated again.

В конкретном примере реализации в качестве лазерного диода 1 использовался диод Furukawa Electric FOL15DCWB-A82-19270-B с длиной волны 1,55 мкм, источником питания 2 светодиода служил прецизионный источник тока Keithley 224, а оптическим измерителем мощности 4, например Newport 918D-IR. В качестве оптоволоконного шнура 3 и 6 использовался одномодовый оптоволоконный кабель РС-SM-FC 9/125. В качестве аттенюатора 5 с фиксированным ослаблением использовался аттенюатор типа ThorLabs FAxxT (где "хх" - номинал ослабления в дБ: 05, 10, 15, 25 и т.д.) с выбранной величиной ослабления. Второй оптический аттенюатор 7 - это, например, перестраиваемый оптический аттенюатор ThorLabs V0A50-APC с ослаблением от 0 до 50 дБ.In a specific implementation example, a Furukawa Electric FOL15DCWB-A82-19270-B diode with a wavelength of 1.55 μm was used as a laser diode 1, a Keithley 224 precision current source was used as a power supply 2 of the LEDs, and 4, for example, Newport 918D-IR, was an optical power meter . As fiber optic cord 3 and 6, a single-mode fiber optic cable RS-SM-FC 9/125 was used. An attenuator of the ThorLabs FAxxT type (where “xx” is the attenuation value in dB: 05, 10, 15, 25, etc.) with the selected attenuation value was used as attenuator 5 with a fixed attenuation. The second optical attenuator 7 is, for example, a tunable optical attenuator ThorLabs V0A50-APC with attenuation from 0 to 50 dB.

По схеме, представленной на фиг.4, проводят измерение квантовой эффективности η сверхпроводникового однофотонного детектора 8. Для калибровки однофотонного детектора 8 измеряется квантовая эффективность η, приведенная ко входу оптоволоконного шнура 9, соединяющего сверхпроводниковый детектор 8 с разъемом на корпусе криогенной вставки 10. К «связке» источник питания 2, лазерный диод 1, оптоволоконный шнур 3, второй оптический аттенюатор 7 и оптоволоконный шнур 6 подсоединяют откалиброванный ранее первый аттенюатор 5 и оптоволоконный шнур 11. При этом излучение лазерного диода 1 ослабляется оптическими аттенюаторами 5 и 7, точные величины ослабления К которых предварительно измерены по формулам 2а и 26.According to the scheme shown in figure 4, measure the quantum efficiency η of a superconducting single-photon detector 8. To calibrate a single-photon detector 8, measure the quantum efficiency η reduced to the input of the fiber optic cord 9 connecting the superconductor detector 8 to the connector on the cryogenic insert body 10. K " bundle "power supply 2, laser diode 1, fiber optic cord 3, the second optical attenuator 7 and fiber optic cord 6 connect the previously calibrated first attenuator 5 and fiber optic cord 11. When the radiation of the laser diode 1 is attenuated by optical attenuator 5 and 7, the exact amount of attenuation to which the previously measured by formulas 2a and 26.

Квантовая эффективность определяется как отношение числа зарегистрированных фотонов к числу фотонов, попавших на вход оптоволоконного шнура 9. Среднее число отсчетов сверхпроводникового детектора в единицу времени N_C равно сумме числа фотоотсчетов, зарегистрированных детектором 8 в единицу времени и числа темновых срабатываний N_T, т.е. спонтанных срабатываний детектора 8, когда на него не подается излучение. Тогда квантовая эффективность однофотонного детектора 8 будет равнаQuantum efficiency is defined as the ratio of the number of registered photons to the number of photons incident on the input of the optical fiber cord 9. The average number of samples of a superconductor detector per unit time N _C is equal to the sum of the number of photo samples recorded by detector 8 per unit time and the number of dark responses N _T , i.e. . spontaneous responses of the detector 8 when radiation is not supplied to it. Then the quantum efficiency of the single-photon detector 8 will be equal to

$$\eta =\frac{N_C-N_T}{N_{inc}},\text{ (3)}$$

$$\eta =\frac{N_C-N_T}{N_{inc}},\text{(3)}$$

где N_c - среднее число возникших электрических импульсов в единицу времени (среднее число отсчетов сверхпроводникового детектора), N_T - число темновых срабатываний детектора, N_inc - число фотонов на входе оптоволоконного шнура 9.where N _c is the average number of generated electrical pulses per unit time (average number of samples of the superconductor detector), N _T is the number of dark detections of the detector, N _inc is the number of photons at the input of the optical fiber cord 9.

Зная мощность калибровочного диода 1, число фотонов на входе оптоволоконного шнура 9 находят по формуле:Knowing the power of the calibration diode 1, the number of photons at the input of the fiber optic cord 9 is found by the formula:

$$N_{inc}=\frac{I\lambda }{Khc},\text{ (4)}$$

$$N_{inc}=\frac{I\lambda }{Khc},\text{(four)}$$

где I- измеренная мощность калибровочного диода 1, λ - длина волны лазерного диода 1, К - суммарный коэффициент ослабления аттенюаторов 5 и 7 (в разах), h -постоянная Планка, с - скорость света в вакууме.where I is the measured power of the calibration diode 1, λ is the wavelength of the laser diode 1, K is the total attenuation coefficient of attenuators 5 and 7 (times), h is Planck's constant, and c is the speed of light in vacuum.

Измерение квантовой эффективности выполняют следующим образом. Криогенную вставку 10 с установленным в нее однофотонным детектором 8 медленно погружают в сосуд Дьюара 12 с жидким гелием. Присоединяют блок управления 13 при помощи соответствующего кабеля к разъему на криогенной вставке 10. Включают блок управления 13 и при помощи регуляторов «плавно» и «точно» подают ток на детектор 8, выставляя необходимое значение тока. Включают калибровочный диод 1 и с помощью подстраиваемых оптических аттенюаторов 5 и 7 ослабляют излучение лазерного диода 1 до необходимого. С помощью счетчика-частотомера 14 измеряют количество N_C импульсов напряжения детектора 8. С помощью осциллографа 15 отслеживают возникающие на детекторе 8 импульсы и контролируют наличие или отсутствие помех, отраженных импульсов, т.е. паразитных факторов. На этой же установке при выключенном источнике излучения - калибровочном диоде 1 измеряют число темновых срабатываний N_T детектора 8. На основе полученных данных вычисляют квантовую эффективность по формуле (3). Измерения повторяют многократно и определяют среднее значение измеряемой величины квантовой эффективности сверхпроводникового однофотонного детектора 8.The measurement of quantum efficiency is as follows. A cryogenic insert 10 with a single-photon detector 8 installed therein is slowly immersed in a Dewar vessel 12 with liquid helium. The control unit 13 is connected using the appropriate cable to the connector on the cryogenic insert 10. The control unit 13 is turned on and the current is supplied to the detector 8 using the regulators “smoothly” and “precisely”, setting the required current value. The calibration diode 1 is turned on and with the help of adjustable optical attenuators 5 and 7 weaken the radiation of the laser diode 1 to the required value. Using the counter-frequency counter 14, the number N _{C of} voltage pulses of the detector 8 is measured. Using the oscilloscope 15, the pulses occurring at the detector 8 are monitored and the presence or absence of interference reflected by the pulses is monitored, i.e. parasitic factors. In the same installation, when the radiation source is off, calibration diode 1, the number of dark responses N _{T of} detector 8 is measured. Based on the obtained data, the quantum efficiency is calculated by formula (3). The measurements are repeated many times and determine the average value of the measured quantum efficiency of the superconducting single-photon detector 8.

На практике для определения квантовой эффективности детектор размещается внутри криогенной вставки 10 собственного изготовления, опускаемой в стандартный транспортный сосуд Дьюара СТГ-40, блок управления 13 содержит адаптер смещения bias-T Mini Circuits ZFBT-4R2GW и высокочастотные усилители Mini Circuits ZFL-1000LN. Измерение возникающих на детекторе 8 импульсов напряжения выполнялось с помощью счетчика-частотомера 14 типа 53131А (225 MHz) фирмы Agilent Technologies, в качестве осциллографа 15 использовался AKTAKOM/IWATSU АСК-7404.In practice, to determine the quantum efficiency, the detector is placed inside a cryogenic insert 10 of its own manufacture, lowered into a standard STG-40 Dewar transport vessel, the control unit 13 contains a bias-T Mini Circuits ZFBT-4R2GW bias adapter and Mini Circuits ZFL-1000LN high-frequency amplifiers. The voltage pulses arising at the detector 8 were measured using a counter-frequency counter 14 of type 53131A (225 MHz) from Agilent Technologies, using AKTAKOM / IWATSU ASK-7404 as an oscilloscope 15.

Определение мощности однофотонных источников излучения выполняют с помощью установки, представленной на фиг.5. Исследуемый однофотонный источник излучения 16 подключается к оптическому входу криогенной вставки 10 с помощью оптоволоконного шнура 11. Измерение числа электрических импульсов однофотонного детектора 8 при попадании на него излучения от исследуемого источника инфракрасного излучения 16 производится вышеописанным способом (измерение квантовой эффективности). Мощность излучения однофотонного источника определяют по формуле:The determination of the power of single-photon radiation sources is performed using the installation shown in Fig.5. The studied single-photon radiation source 16 is connected to the optical input of the cryogenic insert 10 using a fiber optic cord 11. The number of electrical pulses of the single-photon detector 8 is measured when radiation from the studied infrared radiation source 16 gets into it by the method described above (quantum efficiency measurement). The radiation power of a single-photon source is determined by the formula:

$$P=\frac{N_c-N_T}{\eta }hv,\text{ (1)}$$

$$P=\frac{N_c-N_T}{\eta }hv,\text{(one)}$$

где N_C - среднее число отсчетов сверхпроводникового детектора 8 в единицу времени, N_T - число темновых срабатываний детектора 8, hv - энергия фотона, η - рассчитанная квантовая эффективность однофотонного сверхпроводникового детектора 8, для получения которой предварительно калибруют установку для измерений.where N _C is the average number of samples of the superconductor detector 8 per unit time, N _T is the number of dark responses of the detector 8, hv is the photon energy, η is the calculated quantum efficiency of the single-photon superconductor detector 8, to obtain which the setup for measurements is pre-calibrated.

В заключении определяют относительную погрешность измерений мощности ΔР/Р по формуле:In conclusion, determine the relative error of power measurements ΔР / Р according to the formula:

$$\frac{\Delta P}{P}=\sqrt{\frac{1}{n_{отс}\tau }}+\frac{\Delta \lambda }{\lambda }+\frac{\Delta \eta }{\eta }+{\alpha }_{сч},\text{ (5)}$$

$$\frac{\Delta P}{P}=\sqrt{\frac{\mathrm{one}}{n_{\mathrm{about}t\mathrm{from}}\tau }}+\frac{\Delta \lambda }{\lambda }+\frac{\Delta \eta }{\eta }+{\alpha }_{\mathrm{from}h},\text{(5)}$$

где n_отс=N_C-N_T, τ - время измерения, Δλ/λ - относительная погрешность измерения длины волны исследуемого источника 16, Δη/η -относительная погрешность измерения квантовой эффективности, α_сч=Δn_отс/n_отс - относительная погрешность счетчика-частотомера 14.where n _sr = N _C -N _T , τ is the measurement time, Δλ / λ is the relative error in measuring the wavelength of the studied source 16, Δη / η is the relative error in measuring quantum efficiency, α _cch = Δn _ss / n _ss is the relative error of the counter frequency counter 14.

При проверке работоспособности предложенного способа в качестве исследуемого однофотонного источника излучения использовался стандартный лазер марки PLS-1500/9 с длиной волны 1, 56 мкм. При измеренном среднем числе отсчетов в единицу времени N_C=10⁸ Гц, квантовой эффективности η=0,2, величина мощности получается Р=6,6 10^-12 Вт.When checking the operability of the proposed method, a PLS-1500/9 standard laser with a wavelength of 1.56 μm was used as a single-photon radiation source under study. With the measured average number of samples per unit time N _C = 10 ⁸ Hz, quantum efficiency η = 0.2, the power value is P = 6.6 10 ^-12 W.

Пределы допускаемой относительной погрешности измерений мощности ΔP/P в предложенном способе определяется точностью используемого для калибровки сверхпроводникового детектора 8 оптического измерителя мощности и составила ±4%.The permissible relative error of power measurements ΔP / P in the proposed method is determined by the accuracy of the optical power meter used for calibration of the superconductor detector 8 and amounted to ± 4%.

Claims (2)

1. Способ измерения параметров однофотонного источника излучения инфракрасного диапазона, основанный на использовании в качестве чувствительного элемента однофотонного сверхпроводникового детектора, с помощью которого измеряют количество фотонов, зарегистрированных за определенный промежуток времени, отличающийся тем, что определяют мощность Р однофотонного источника излучения как

,
где N_C - среднее число отсчетов сверхпроводникового детектора в единицу времени, N_T - число темновых срабатываний детектора, hv - энергия фотона, η - рассчитанная квантовая эффективность однофотонного сверхпроводникового детектора, для получения которой предварительно калибруют установку для измерений.1. The method of measuring the parameters of a single-photon radiation source of the infrared range, based on the use of a single-photon superconductor detector as a sensitive element, by which the number of photons recorded over a certain period of time is measured, characterized in that the power P of the single-photon radiation source is determined as

,
where N _C is the average number of samples of the superconductor detector per unit time, N _T is the number of dark detections of the detector, hv is the photon energy, η is the calculated quantum efficiency of a single-photon superconductor detector, to obtain which the setup for measurements is pre-calibrated. 2. Способ измерения параметров однофотонного источника излучения по п.1, отличающийся тем, что используют однофотонный сверхпроводниковый детектор, содержащий подложку, контактные площадки, размещенные на подложке, выполненную из пленки сверхпроводника полоску, расположенную на подложке между контактными площадками, толщину полоски выбирают порядка длины когерентности, а ширину полоски - меньше глубины проникновения магнитного поля, при этом полоску изготавливают в форме меандра, заполняющего площадь 10 мкм×10 мкм со скважностью 60%. 2. The method of measuring the parameters of a single-photon radiation source according to claim 1, characterized in that they use a single-photon superconductor detector containing a substrate, contact pads placed on a substrate, a strip made of a superconductor film located on a substrate between the contact pads, the strip thickness is selected on the order of length coherence, and the width of the strip is less than the depth of penetration of the magnetic field, while the strip is made in the form of a meander filling an area of 10 μm × 10 μm with a duty cycle of 60%.

Images