一種接近像素級讀出的超導納米線單光子探測器（SNSPD）陣列

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，南京大學張蠟寶教授課題組研制出一種接近像素級讀出的超導納米線單光子探測器（SNSPD）陣列，相關(guān)內(nèi)容以“Approaching pixel-level readout of SNSPD array by inductor-shaping pulse”為題，發(fā)表于《應(yīng)用物理快報》（Applied Physics Letters）?？蒲腥藛T采用片上集成的電感實現(xiàn)了不同SNSPD像元單光子響應(yīng)脈沖波形的整形，在幾乎不犧牲靈敏度和信噪比的同時，獲得了空間位置的信息，實現(xiàn)了近像素級并行讀出功能。

SPAD陣列可采用成熟的CMOS技術(shù)研發(fā)與之配套的讀出集成電路（ROIC），以實現(xiàn)SPAD像元雪崩信號的提取和處理。然而，SNSPD特定的超低溫工作環(huán)境使得常規(guī)的ROIC不再適用，因此迫切需要研發(fā)適用于SNSPD陣列的并行讀出技術(shù)。此前文獻報道的SNSPD陣列主要有兩類：一類是，通過多通道技術(shù)實現(xiàn)多像元并行讀出。SNSPD讀出采用同軸電纜將超導器件與室溫讀出電路互聯(lián)，通過室溫下的電路加載偏置電流和讀出快速響應(yīng)的脈沖信號。隨著陣列數(shù)量的增加，連接室溫和超低溫的同軸線數(shù)量也隨之增加，導致制冷機熱負載、體積和成本大幅度增加。該方案可以獲得跟單元器件接近的性能，但擴展性差，像元數(shù)量有限。另外一類是，通過信息復(fù)用實現(xiàn)空間位置分辨。陣列SNSPD讀出借助信息復(fù)用來減小讀出通道數(shù)和熱負載。但常規(guī)的時間或者幅值復(fù)用方案很難分辨多個像元同時響應(yīng)的情況，且通常會丟失部分信息，甚至有可能犧牲靈敏度和信噪比等性能指標。

如果能夠?qū)崿F(xiàn)像素級并行讀出，單光子探測器陣列就可以保留每個像元響應(yīng)信號的完整信息。目前，實現(xiàn)像素級讀出的主要途徑是在片上集成超導讀出電路，實現(xiàn)逐像元的放大、編碼與讀出。但是，目前超低溫讀出電路還不成熟，并且受到制備工藝限制，不易實現(xiàn)大規(guī)模陣列讀出。因此，盡管已有一些SNSPD陣列結(jié)果報道，但其像元數(shù)量、量子效率、探測速度等性能很難兼顧，距離實際應(yīng)用仍有較大差距。

針對陣列SNSPD難題，南京大學張蠟寶教授課題組通過片上集成電感，對各像元的光子響應(yīng)脈沖進行整形，實現(xiàn)各像元信號的原位編碼，通過單通道電路即可讀出多個像元信號。如圖1(a)所示，所有像元串行連接并通過單根同軸線進行偏置和讀出，每個像元包括串聯(lián)的納米線，電感線以及并聯(lián)的電阻。通過修改電感線的長度可以改變各像元整體的動態(tài)電感。各像元電感線長度的比例設(shè)置服從等差分布，脈沖的恢復(fù)時間與電感線的長度成正比，如圖1(b)。這里，設(shè)定閾值對脈沖寬度進行檢測即可分辨出響應(yīng)的像元位置如圖1(d)。

圖1 脈沖整形SNSPD陣列的示意圖與單像元響應(yīng)信號

除了單個像元響應(yīng)信號的讀出，該方案還適用于多個像元同時響應(yīng)的情況，如圖2?？蒲腥藛T展示了兩個像元、三個像元以及四個像元同時響應(yīng)時的脈沖形狀以及脈沖寬度分布直方圖。串聯(lián)電感的引入除了可以改變脈沖寬度，還會影響各個像元的交流阻抗，導致不同像元響應(yīng)脈沖的幅值不同，脈沖幅值和寬度的改變會導致脈沖面積的差異，對脈沖波形進行積分獲取脈沖面積的同時可以抵消一部分高斯噪聲的干擾。因此可以將所有像元的開/關(guān)狀態(tài)編碼為單個輸出脈沖的寬度、幅值和面積，僅需單個通道即可實現(xiàn)各像元的并行高效讀出。

圖2 多像元同時響應(yīng)的脈沖信號及脈寬分布直方圖

該方案還進一步應(yīng)用到16像素SNSPD陣列（圖3），并驗證了大光敏面積、高填充因子、飽和量子效率、低暗計數(shù)率等優(yōu)點。這在常規(guī)的多路復(fù)用陣列SNSPD中是很難同時達到的。得益于該方案提供了更多自由度，例如脈沖幅度、脈沖寬度和脈沖面積等，且基本保持原有的高信噪比特征，因此可以有效地提高各像元的可分辨性。該方案具有簡單的單通道讀出要求和優(yōu)異的單光子探測性能，結(jié)合其它多通道技術(shù)和復(fù)用技術(shù)等，有可能實現(xiàn)更大規(guī)模的高性能SNSPD陣列。

圖3 16像素脈沖整形SNSPD陣列的響應(yīng)信號及3個像元分辨參量的散點圖：脈沖幅度、脈沖寬度和脈沖面積。

審核編輯：劉清