與非網(wǎng)6月1日訊 中科院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所的尤立星團隊與歐欣團隊合作，在超導單光子探測器技術領域取得新突破，不囿于傳統(tǒng)百納米尺度的超導線寬限制，在微米級線寬的超導微米線單光子探測器（SMSPD）領域，實現(xiàn)了在1550 nm波段超過90%的系統(tǒng)探測效率（SDE），為大光敏面超導單光子探測器研發(fā)和應用奠定了基礎。

　　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，并入選當期的編輯推薦（Editor's Pick）。

　　超導單光子探測器（Superconductor nanowire single photon detector， SNSPD）是一種新型單光子檢測器，兼具有靈敏度高和低噪聲的優(yōu)點，在眾多領域存在潛在應用，是超導電子學領域的研究熱點。

　　超導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（LIDAR）等領域扮演者關鍵角色。這些領域的飛速發(fā)展，對更快（探測速度）、更大（光敏面）、更強（高探測效率SDE、低時間抖動等）的SNSPD提出迫切的應用需求。通常，SNSPD是由一根寬度~100 nm的超導線條構成。2017年，俄羅斯科學家提出理論預測，當一個微米級的“臟”超導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隊都在開展相關實驗工作，但是一直沒有成功研制高效率SMSPD器件報道。

　　超導單光子探測器（superconductingsinglephotondetector，sspd）是近十幾年發(fā)展起來的新型單光子探測技術，相對于常規(guī)的半導體探測器具備超高的探測效率、極低的暗計數(shù)、低時間抖動以及高計數(shù)率等優(yōu)勢，同時能夠實現(xiàn)較寬譜響應，覆蓋范圍從可見光到紅外波段。高性能的sspd器件已經(jīng)在量子密鑰分發(fā)、光量子計算、激光通信、激光雷達等眾多領域得到了大量應用驗證。但實際上，sspd的各種實際性能（比如，寬譜、探測速度、探測效率、時間抖動等）是相互制約的，就目前發(fā)展來說，將這些多重優(yōu)勢集成在單一器件上仍有待前進，因此如何在保證片上高速、高效率的同時實現(xiàn)低時間抖動和超寬譜探測單光子，是當今sspd的研究熱門課題。

　　現(xiàn)如今主流的sspd是利用超導材料制備線寬約為100nm曲折納米線構成十幾微米甚至上百微米直徑的光敏面進行單光子探測，此類探測器由于存在蜿蜒延伸的特定結構，器件的動態(tài)電感較大，通常較難實現(xiàn)高速的單光子探測。

　　中科院上海微系統(tǒng)所研究人員將離子輻照調控技術（相關論文W. –J Zhang et al., Phys. Rev. Appl. 12（4）， 044040 （2019）。 授權專利號CN107910400B）應用于NbN材料的SMSPD中，采用1 μm線的雙螺旋結構構成了50 μm直徑的有效光敏面。結合優(yōu)化的光學結構設計，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?shù)陌涤嫈?shù)率（~200 cps）和時間抖動（~48 ps）。由于高占空比的結構設計（占空比~80%），器件的偏振敏感性僅為1.03。此外，當在2.1 K下閉式循環(huán)低溫制冷機工作時，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。這些性能指標均遠超目前其他同類型的SMSPD。

　　該成果為高性能的SMSPD研制及其探測機制提供了一種創(chuàng)新思路；并展示了高效率SMSPD應用于量子光學、弱光環(huán)境LIDAR等領域的可能性。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”（2017YFA0304000）、國家自然科學基金（No.61971409）、上海市科委（No.18511110202，No. 2019SHZDZX01）、中科院青促會（2019238）等項目資助。