低温超导纳米线单光子读出电路设计

摘要

随着量子信息技术的飞速发展，传统的单光子探测技术因其探测器噪声大、探测效率低、外围控制电路复杂等缺点，逐渐被基于超导薄膜材料的纳米线单光子探测技术取代，因此相应的读出电路设计也逐渐成为集成电路研究的热点问题。 在本文研究的系统中，探测器需工作在2.5K的温度下。为了减小传输线效应，避免和同轴线之间的阻抗失配，相应的读出电路必须在4.2K环境下，实现放大、采样、最终通过一条路径将检测到的信号传输到室温下的FPGA中进行处理。因此本论文需着重考虑读出电路能够在4.2K环境下的正常工作。论文首先完成器件的低温测试工作，根据器件的低温特性和-40℃~27℃温度范围内的仿真结果，预估4.2K下电路性能变化情况。其次，采用偏置结构可调节的设计方法，确保电路正常工作。 本文采用TSMC0.18μm CMOS工艺设计了基于超导纳米线单光子（SNSP）低温读出电路，主要包括：放大器、比较器和复接器（6:1）等关键模块。放大器采用单转双结构、差分结构进行信号处理；采用反馈、电容中和等方式延展带宽。比较器采用交叉耦合方式得到比较高的增益从而实现信号的有无判断。复接器将六路低速并行数据转成一路高速数据输出。在版图设计过程中，为了减小噪声耦合干扰采用深N阱等技术。 阵列芯片面积为1.11mm×1.41mm，后仿真结果表明：低温放大器在-40℃时，通过增加偏置电流，能够达到增益20dB，带宽140kHz~1GHz，预计4.2K下增益和带宽会略增加；比较器能够实现对信号有无的判断；复接器芯片面积为1.10mm×0.38mm，实现并串转换，将100Mbps的六路数据转成600Mbps的一路数据输出。

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