與非網(wǎng)6月1日訊 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(duì)與歐欣團(tuán)隊(duì)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(shí)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(shí)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）,。

　　超導(dǎo)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(diǎn),，在眾多領(lǐng)域存在潛在應(yīng)用，是超導(dǎo)電子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),。

　　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(shí)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(gè)微米級的“臟”超導(dǎo)線偏置到接近拆對電流的狀態(tài)時(shí),，它有可能探測到單個(gè)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(shí)間抖動的探測器提供了可能,。盡管國際上多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)都在開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)工作,，但是一直沒有成功研制高效率SMSPD器件報(bào)道。

　　超導(dǎo)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(shù),，相對于常規(guī)的半導(dǎo)體探測器具備超高的探測效率、極低的暗計(jì)數(shù),、低時(shí)間抖動以及高計(jì)數(shù)率等優(yōu)勢,，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)較寬譜響應(yīng)，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(jì)算、激光通信,、激光雷達(dá)等眾多領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用驗(yàn)證,。但實(shí)際上，sspd的各種實(shí)際性能（比如,，寬譜,、探測速度、探測效率,、時(shí)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(jìn)，因此如何在保證片上高速,、高效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)低時(shí)間抖動和超寬譜探測單光子,，是當(dāng)今sspd的研究熱門課題。

　　現(xiàn)如今主流的sspd是利用超導(dǎo)材料制備線寬約為100nm曲折納米線構(gòu)成十幾微米甚至上百微米直徑的光敏面進(jìn)行單光子探測,，此類探測器由于存在蜿蜒延伸的特定結(jié)構(gòu),，器件的動態(tài)電感較大，通常較難實(shí)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(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(jì)，在實(shí)驗(yàn)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(shí)SMSPD具有與SNSPD相當(dāng)?shù)陌涤?jì)數(shù)率（~200 cps）和時(shí)間抖動（~48 ps）。由于高占空比的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（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(shí),，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(shí),，該探測器的展示出超過60％最大SDE,，時(shí)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)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(xiàng)目資助。