上海微系統(tǒng)所在超導(dǎo)單光子探測器技術(shù)領(lǐng)域取得新突破

近日，中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的尤立星團(tuán)隊與歐欣團(tuán)隊合作，在超導(dǎo)單光子探測器技術(shù)領(lǐng)域取得新突破，不囿于傳統(tǒng)百納米尺度的超導(dǎo)線寬限制，在微米級線寬的超導(dǎo)微米線單光子探測器（SMSPD）領(lǐng)域，實現(xiàn)了在1550 nm波段超過90%的系統(tǒng)探測效率（SDE），為大光敏面超導(dǎo)單光子探測器研發(fā)和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。該研究成果于2021年5月21日（北京時間）以《在1550 nm波段系統(tǒng)探測效率超過90%的超導(dǎo)微米線單光子探測器（Superconducting single-photon detector with system efficiency over 90% at 1550 nm）》為題，在線發(fā)表在1區(qū)期刊Photonics Research上，并入選當(dāng)期的編輯推薦（Editor’s Pick）。

光敏面直徑50微米的超導(dǎo)微米線單光子探測器（SMSPD）

超導(dǎo)納米線單光子探測器（SNSPD）在量子信息處理、深空激光通信、激光雷達(dá)（LIDAR）等領(lǐng)域扮演者關(guān)鍵角色。這些領(lǐng)域的飛速發(fā)展，對更快（探測速度）、更大（光敏面）、更強(qiáng)（高探測效率SDE、低時間抖動等）的SNSPD提出迫切的應(yīng)用需求。通常，SNSPD是由一根寬度~100 nm的超導(dǎo)線條構(gòu)成。2017年，俄羅斯科學(xué)家提出理論預(yù)測，當(dāng)一個微米級的“臟”超導(dǎo)線偏置到接近拆對電流的狀態(tài)時，它有可能探測到單個紅外光子【Phys. Rev. Appl. 7, 034014 (2017)】。與具有相同光敏面積的SNSPD相比，超導(dǎo)微米線單光子探測器（SMSPD）具有更小的動態(tài)電感，更高的工作電流和更低的加工精度要求等優(yōu)勢，為研發(fā)超大光敏面、低時間抖動的探測器提供了可能。盡管國際上多個研究團(tuán)隊都在開展相關(guān)實驗工作，但是一直沒有成功研制高效率SMSPD器件報道。

中科院上海微系統(tǒng)所研究人員將離子輻照調(diào)控技術(shù)（相關(guān)論文W. –J Zhang et al., Phys. Rev. Appl. 12(4), 044040 (2019). 授權(quán)專利號CN107910400B）應(yīng)用于NbN材料的SMSPD中，采用1 μm線的雙螺旋結(jié)構(gòu)構(gòu)成了50 μm直徑的有效光敏面。結(jié)合優(yōu)化的光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計，在實驗上首次成功展示了在1550 nm通信波段，單模光纖耦合情況下系統(tǒng)探測效率超過90%的SMSPD（92.2%@0.84 K）。同時SMSPD具有與SNSPD相當(dāng)?shù)陌涤嫈?shù)率（~200 cps）和時間抖動（~48 ps）。由于高占空比的結(jié)構(gòu)設(shè)計（占空比~80%），器件的偏振敏感性僅為1.03。此外，當(dāng)在2.1 K下閉式循環(huán)低溫制冷機(jī)工作時，探測器的SDE仍超過了70％。由于探測器具有50微米直徑的光敏面，它與多模光纖耦合時，該探測器的展示出超過60％最大SDE，時間抖動~50 ps。這些性能指標(biāo)均遠(yuǎn)超目前其他同類型的SMSPD。

該成果為高性能的SMSPD研制及其探測機(jī)制提供了一種創(chuàng)新思路；并展示了高效率SMSPD應(yīng)用于量子光學(xué)、弱光環(huán)境LIDAR等領(lǐng)域的可能性。該研究也獲得了審稿人的高度稱贊：“(This work) reported on a quite unique technique by pre-treating NbN films with helium ions to boost the SDE of superconducting microstrip SPDs to 92.2% at 0.84 K. This work is technically interesting and at the frontier of the research community.” “(This work) addresses an important topic of R&D of single-photon detector with almost unity detection efficiency at telecom wavelength. In particular, the manuscript presents a novel approach to the improvement of the performance of NbN superconducting detector with micron-wide strip. (This work) is expected to be of high interest to optical society.” “This work will no doubt benefit the SNSPD community.”

本論文共同第一作者為博士生徐光照、張偉君副研究員，論文通信作者為張偉君副研究員，尤立星研究員。黃浩博士、歐欣研究員為樣品提供了關(guān)鍵的離子注入處理及數(shù)值仿真分析。本文工作獲得了國家重點研發(fā)計劃項目“高性能單光子探測技術(shù)”（2017YFA0304000）、國家自然科學(xué)基金（No.61971409）、上海市科委（No.18511110202，No. 2019SHZDZX01）、中科院青促會（2019238）等項目資助。

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