超導(dǎo)納米線單光子探測器的原理特點以及應(yīng)用

超導(dǎo)納米線單光子探測器（SNSPD：Superconducting nanowire single-photon detector）作為一種高性能的單光子探測器，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于量子信息、激光雷達、深空通信等領(lǐng)域，有力推動了相關(guān)領(lǐng)域的科技發(fā)展。SNSPD器件主要有兩種光耦合方式，一種是垂直光耦合方式，光纖端面平行于SNSPD光敏面，光子垂直入射到納米線上，采用光學(xué)腔體或者反射鏡結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高效光耦合。利用該類耦合結(jié)構(gòu)，上海微系統(tǒng)所已實現(xiàn)NbN基SNSPD系統(tǒng)探測效率超過90%，相關(guān)結(jié)果發(fā)表后受到了國內(nèi)外廣泛關(guān)注。該光耦合結(jié)構(gòu)的特點是，可以實現(xiàn)高光耦合效率，但是受限于光耦合結(jié)構(gòu)，工作波長范圍受限。另外一種光耦合方式是波導(dǎo)光耦合方式，將納米線制備在光波導(dǎo)上，可以實現(xiàn)高效的本征吸收。但是光纖到波導(dǎo)的耦合效率較低，使得這類器件僅能作為片上光子學(xué)的解決方案，無法作為獨立單光子探測器使用。上海微系統(tǒng)所/中國科學(xué)院超導(dǎo)電子學(xué)卓越創(chuàng)新中心尤立星研究員團隊和浙江大學(xué)方偉、童利民教授團隊合作，首次提出了微納光纖耦合的SNSPD器件結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)將SNSPD器件置于微納光纖的倏逝場內(nèi)，從而實現(xiàn)納米線對微納光纖中傳輸?shù)墓庾游铡９鈱W(xué)計算顯示，該類結(jié)構(gòu)有望實現(xiàn)高吸收效率的同時，保持很好地寬譜特性【Optics Communications 405: 48-52. (2017)】。經(jīng)過上海微系統(tǒng)所巫君杰博士和浙江大學(xué)徐穎鑫博士等近3年實驗探索，團隊終于成功研制微納光纖耦合SNSPD器件。在1550 nm/1064 nm工作波長，系統(tǒng)探測效率分別達到20%/50%。相關(guān)成果近日發(fā)表于Optics Express。該結(jié)果有望在新型SNSPD器件及微納光纖領(lǐng)域開辟新的研究方向。該工作得到了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）、中科院B類戰(zhàn)略先導(dǎo)專項“超導(dǎo)電子器件應(yīng)用基礎(chǔ)研究”、自然科學(xué)基金以及上海市科委等項目資助。

微納光纖耦合超導(dǎo)納米線單光子探測器原理示意圖