科技进展

上海微系统所成功研制探测效率超过90%的超导微米线单光子探测器

  

  近日,中科院上海微系统与信息技术研究所的尤立星团队与欧欣团队合作,在超导单光子探测器技术领域取得新突破,不囿于传统百纳米尺度的超导线宽限制,在微米级线宽的超导微米线单光子探测器(SMSPD)领域,实现了在1550 nm波段超过90%的系统探测效率(SDE),为大光敏面超导单光子探测器研发和应用奠定了基础。该研究成果于2021521日(北京时间)以《在1550 nm波段系统探测效率超过90%的超导微米线单光子探测器(Superconducting single-photon detector with system efficiency over 90% at 1550 nm)》为题,在线发表在1区期刊Photonics Research,并入选当期的编辑推荐(Editor’s Pick 

  超导纳米线单光子探测器SNSPD)在量子信息处理、深空激光通信、激光雷达LIDAR)等领域扮演者关键角色。这些领域的飞速发展,对更快(探测速度)、更大(光敏面)、更强(高探测效率SDE、低时间抖动等)的SNSPD提出迫切的应用需求。通常,SNSPD是由一根宽度~100 nm的超导线条构成2017俄罗斯科学家提出理论预测,当一个微米级的超导线偏置到接近拆对电流的状态时有可能探测到单个红外光子【Phys. Rev. Appl. 7, 034014 (2017)】。与具有相同光敏面积的SNSPD相比,超导微线单光子探测器(SMSPD)具有小的动态电感,高的工作电流和低的加工精度要求等优势,为发超大光敏面、低时间抖动的探测器提供了可能。尽管国际上多个研究团队都在开展相关实验工作,但是一直没有成功研制高效率SMSPD器件报道。 

  中科院上海微系统所研究人员将离子辐照调控技术(相关论文W. –J Zhang et al., Phys. Rev. Appl. 12(4), 044040 (2019). 授权专利号CN107910400B应用于NbN材料的SMSPD,采用1 μm线的双螺旋结构构成了50 μm直径的有效光敏面。结合优化的光学结构设计,在实验上首次成功展示了在1550 nm通信波段,单模光纤耦合情况下系统探测效率超过90%SMSPD92.2%@0.84 K)。同时SMSPD具有与SNSPD相当的暗计数率(~200 cps)和时间抖动(~48 ps)。由于高占空比的结构设计(占空比~80%),器件的偏振敏感性仅为1.03此外,当在2.1 K下闭式循环低温制冷机工作时,探测器的SDE仍超过了70%。由于探测器具有50微米直径的光敏面,它与多模光纤耦合时,该探测器的展示出超过60%最大SDE,时间抖动~50 ps。这些性能指标均远超目前其他同类型的SMSPD 

  该成果为高性能的SMSPD研制及其探测机制提供了一种创新思路;并展示了高效率SMSPD应用于量子光学、弱光环境LIDAR等领域的可能性。该研究也获得了审稿人的高度称赞“(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.” 

  本论文共同第一作者为博士生徐光照张伟君副研究员,论文通信作者为张伟君副研究员尤立星研究员。黄浩博士、欧欣研究员为样品提供了关键的离子注入处理及数值仿真分析。本文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(No.61971409)、上海市科委No.18511110202 No. 2019SHZDZX01、中科院青促会(2019238等项目资助。 

  原文链接:https://doi.org/10.1364/PRJ.419514 

 

       光敏面直径50微米的超导微米线单光子探测器(SMSPD