小型超導(dǎo)納米線單光子探測系統(tǒng)，為機載平臺提供高精度探測數(shù)據(jù)

單光子探測技術(shù)可實現(xiàn)對單個光子量級的光能量捕獲和轉(zhuǎn)換，是量子傳感、量子通信等領(lǐng)域的重要研究課題。單光子探測技術(shù)憑借著極高的單光子靈敏度和皮秒量級時間分辨率的優(yōu)勢，打破了傳統(tǒng)激光雷達只能通過增大激光功率和增大望遠鏡口徑來提高探測系統(tǒng)信噪比的技術(shù)禁錮，為激光雷達帶來了突破性進展。單光子激光雷達在目標(biāo)探測、大氣測量和地形測繪等應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用，其中面向?qū)挿匦螠y繪和空基大氣測量等應(yīng)用的機載平臺激光雷達需要小型化的單光子探測器。

根據(jù)工作機理，單光子探測器主要有光電倍增管（PMT）、單光子雪崩二極管（SPAD）、超導(dǎo)納米線單光子探測器（SNSPD）等類型。其中，SNSPD因其具有探測效率高、時間精度高、探測速度快和暗計數(shù)率低等特點，并且通過探測器結(jié)構(gòu)設(shè)計后具備光子數(shù)分辨的能力，已廣泛應(yīng)用于量子通信、激光雷達、熒光壽命成像，以及與納米光子電路的芯片集成等領(lǐng)域。然而，常規(guī)SNSPD所需低溫系統(tǒng)的體積和重量均較大，不易于應(yīng)用到機載平臺；同時也尚未出現(xiàn)應(yīng)用于機載平臺的SNSPD的相關(guān)報道。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，南京大學(xué)超導(dǎo)電子學(xué)研究所、北京跟蹤與通信技術(shù)研究所、南京電子技術(shù)研究所和南京航空航天大學(xué)物理學(xué)院的聯(lián)合科研團隊在《物理學(xué)報》上發(fā)表了以“面向機載平臺的小型超導(dǎo)單光子探測系統(tǒng)”為主題的論文。該論文第一作者為何廣龍和薛莉，通訊作者為南京航空航天大學(xué)夏凌昊研究員和南京大學(xué)張蠟寶教授。

這項研究工作設(shè)計并制備了工作溫度為4.2 K的SNSPD，該探測器芯片的光敏面積為60 μm × 60 μm，具有四通道光子數(shù)可分辨的能力，單個通道由4個面積為15 μm × 15 μm的像元串聯(lián)組成，共計16像元，通過光束壓縮系統(tǒng)耦合到直徑200 μm的光纖，在溫度為4.2 K時量子效率大于50%@1064 nm。通過抗沖擊和振動的超導(dǎo)芯片封裝系統(tǒng)，以及小型化系統(tǒng)設(shè)計等，獲得完整的機載單光子探測系統(tǒng)，并通過了振動實驗和沖擊試驗等標(biāo)準測試。

該探測器芯片以NbN作為超導(dǎo)材料，NbN薄膜厚度為7 nm，制備流程包含七步（如圖1所示）：（1）在Si襯底上沉積134 nm厚的Si3N4層；（2）在Si3N4上制備NbN薄膜；（3）制備Au電極；（4）制備納米線條；（5）制備并聯(lián)電阻Rp；（6）制備光學(xué)腔；（7）制備反射鏡。

圖1 四通道16像元SNSPD制備流程

圖2 納米線掃描電子顯微鏡（SEM）圖像：總面積為60 μm × 60 μm，共四個通道，每個通道包括4個像元（①②③④）。紅色圓虛線表示入射光斑大小，直徑為60 μm。綠色線框表示1號通道左、中、右3個位置處的納米線，線寬為65 nm ± 2 nm，分布較為均勻。

隨后，研究人員首先對該SNSPD器件性能進行了常規(guī)表征。實驗采用1064 nm脈沖激光器作為光源，使用可調(diào)衰減器衰減入射光功率以獲得單光子信號。從芯徑為200 μm的光纖末端輸出的單光子信號還需經(jīng)過放大倍率為0.3倍的光學(xué)透鏡組聚焦后穿過厚度為500 μm的硅襯底耦合至探測器光敏面。入射光經(jīng)耦合透鏡組聚焦至探測器上的光斑直徑為60 μm，略小于探測器芯片的光敏面積。其中，厚度為500 μm的硅襯底對1064 nm波段光的透過率為61%。將探測器安裝在可控溫的GM（Gifford-Mcmahon）制冷機中，最低工作溫度可達2.1 K。電流-電壓（I-V）特性體現(xiàn)了SNSPD最基本的超導(dǎo)特性，決定了探測器芯片的正常工作范圍，偏置電流的大小直接影響探測器的探測效率、暗計數(shù)率和脈沖幅度等基本特性。探測效率是SNSPD最主要的特性之一，通過對GM制冷機進行控溫，分別測量在3.0 K、3.5 K、4.2 K這三個溫度下器件的系統(tǒng)效率和量子效率。在溫度低于3.5 K時，4個通道量子效率均達到飽和；在溫度為4.2 K時，4個通道量子效率均大于50%，如圖3（a）所示。

圖3 器件性能測試。（a）器件在不同溫度下的量子效率，在溫度小于3.5 K時四通道量子效率均達飽和，但飽和區(qū)間長度隨著溫度上升而減小，當(dāng)溫度升至4.2 K時，通過對實驗結(jié)果的擬合，得到4個通道的量子效率均大于50%；（b）光子響應(yīng)幅值分布統(tǒng)計，呈現(xiàn)4個高斯分布，統(tǒng)計分布的中心值分別為56 mV、72 mV、87 mV、98 mV，分別對應(yīng)單光子、雙光子、三光子和四光子響應(yīng)情況；（c）通過示波器采集不同光子數(shù)響應(yīng)的脈沖信號，單光子響應(yīng)時的信噪比為56 mV/20 mV ≈ 2.8

研究人員利用示波器統(tǒng)計響應(yīng)信號幅值的分布情況：圖3（b）展示了示波器采集的信號幅值的分布，共采集了3萬次左右的光子響應(yīng)計數(shù)，此統(tǒng)計圖呈現(xiàn)出4個高斯分布，分別對應(yīng)單光子、雙光子、三光子和四光子響應(yīng)情況。該研究工作制備了四通道并行讀出的陣列光子數(shù)分辨SNSPD：單個通道實現(xiàn)了4個光子數(shù)分辨，4個通道可實現(xiàn)16個光子數(shù)分辨。利用示波器采集不同光子數(shù)響應(yīng)的脈沖信號波形，脈沖恢復(fù)時間(t)半高寬為90 ns，單光子響應(yīng)時的信噪比為2.8，如圖3（c）所示。

研究人員還測試了該SNSPD芯片單個通道的時間特性，在不同光子數(shù)響應(yīng)的情況下得到了不同的時間抖動（時間抖動描述了光子到達探測器的時間與輸出脈沖時間之間的波動），相關(guān)測試結(jié)果如圖4所示。其中，四光子響應(yīng)時的時間抖動最小，半高寬為110 ps。

圖4 時間特性測試。（a）單光子響應(yīng)模式下時間抖動測量：由于器件單通道包含了4個像元，不同像元之間信號傳輸線的長度不同，導(dǎo)致信號傳輸時間不同，在時間軸上表現(xiàn)為4個高斯分布的疊加；（b）多光子響應(yīng)時時間抖動測量：由于存在雙光子、三光子和四光子響應(yīng)多種狀態(tài)，在時間軸上無明顯的分布特征；（c）四光子響應(yīng)時間抖動測量：只存在4個像元同時響應(yīng)的情況，因此只有一個高斯分布時抖動最小，高斯分布半高寬110 ps

該SNSPD設(shè)計亮點在于采用了窄線寬納米線來提高探測器的量子效率。這樣增加了效率的飽和區(qū)間長度，并克服了由溫度上升所致的量子效率下降問題，成功將SNSPD的工作溫度提高至液氦溫區(qū)。同時，該SNSPD芯片還通過并聯(lián)電阻的方式實現(xiàn)了光子數(shù)分辨功能，有助于探測系統(tǒng)獲取更多信息從而提高探測精度。

最后，為了應(yīng)對機載測試中的發(fā)射加速、劇烈振動和沖擊等機械環(huán)境的考驗，研究人員設(shè)計了抗沖擊和振動的超導(dǎo)芯片封裝系統(tǒng)，得到完整的機載單光子探測系統(tǒng)，并按照軍用標(biāo)準進行整機測試工作。此論文未介紹該系統(tǒng)獲得低溫環(huán)境的技術(shù)細節(jié)。在長達3小時候的測試過程中，SNSPD一直有穩(wěn)定的輸出信號，說明電路和系統(tǒng)均完好，滿足復(fù)雜機載環(huán)境下的高精度探測應(yīng)用要求，這對于推動發(fā)展通用型小型化SNSPD系統(tǒng)及其應(yīng)用具有積極意義。

論文鏈接：
DOI: 10.7498/aps.72.20230248

審核編輯 ：李倩