科技进展

上海微系统所再创超导单光子探测器效率新纪录

  

  近日,中科院上海微系统所的尤立星团队,利用无损介质镜面结合三明治结构超导纳米线,实现NbN材料超导纳米线单光子器件(SNSPD98%的探测效率,再次创造NbN SNSPD探测效率的新的世界纪录。相关研究成果于2020年11月20日(北京时间)以《最优效率红外单光子探测(Detecting single infrared photons toward optimal system detection efficiency》为题在线发表在学术期刊Optics Express杂志上。论文第一作者为博士研究生胡鹏,通信作者为李浩副研究员和尤立星研究员。 

  100%系统探测效率(SDE)是单光子探测器发展的终极目标,在量子基础理论验证和量子信息科技中具有重大应用价值。SNSPD凭借高探测效率、低暗计数、低时间抖动等性能指标,在量子通信、量子计算、深空光通信、生物荧光成像等领域发挥着重要作用,有力的推动了量子信息技术和其他前沿科学的发展。对于SNSPD而言,实现100%效率的关键难点在于,需要同时实现接近于100%的本征探测效率和吸收效率。由于二者之间的纠缠制衡关系,相比于其他低Tc的超导材料而言(例如WSi),高TcNbN材料SNSPD实现高SDE面临的难度更大。2017年,该研究团队通过工艺优化,国际首次报道了基于小型闭合循环制冷机,2.1K工作温度下,NbN-SNSPD系统探测效率(1550nm工作波长)可以超过90%【SCPMA 60(12): 120314. (2017),WoS高被引论文,全球该领域仅6篇】。2019年,研究团队发明了离子注入等手段首次突破了NbN本征探测效率和吸收效率的制衡关系,再次实现了90%探测效率SNSPD器件【PRA 12, 044040 (2019)】,为极限效率探测研究奠定了重要基础。 

  经系统分析研究,研究团队在工作中提出了无损介质镜面加三明治超导纳米线的器件架构,再次突破了NbN SNSPD器件的本征探测响应和光学吸收效率的制衡关系,实现了两者的同时提升。在0.8K工作温度,1590nm波长实现了最大98%的系统探测效率,在1530–1630nm波长范围内的系统效率超过95%。该类型的探测器还显示出对多种参数的鲁棒性。比如,在2.1K温度下,同一批次制造的45个探测器,SDE大于80%(90%)的产率高达73%(36%),对批量生产及商业化应用具有重要的实际意义。 

  本工作获得了国家重点研发计划项目高性能单光子探测技术2017YFA0304000)、国家自然科学基金(61971408,6167143861827823)以及上海市科委量子专项(2019SHZDZX01),上海市启明星 (20QA1410900), 上海市优秀学术带头人(18XD1404600)以及中科院青年创新促进会(2020241)等项目资助。 

  原文链接:https://doi.org/10.1364/OE.410025 

  图1. (a)器件架构示意图。(b)传统单层纳米线与本文中的三明治结构纳米线。(c)器件光子响应和光学吸收的制衡关系。 

  2. (a)器件效率随偏置电流变化关系。(b)器件在不同波段下的探测效率和仿真结果。