高综合性能超导纳米线单光子探测器

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)优异的时间特性(时间抖动和响应速度)是其最具吸引力的优势之一,并且已在量子通信、量子计算等领域中得到广泛应用.然而,由于SNSPD的各技术参数之间相互牵制,使得进一步提升SNSPD综合性能存在技术挑战.小光敏面SNSPD在时间特性上具有明显优势,但同时存在探测效率低的突出问题.本文为面向量子信息应用的光纤耦合探测器,从开发实用化、产品化SNSPD出发,采用批量对准、高效耦合的自对准封装结构,围绕小光敏面自对准SNSPD综合性能的提升展开研究.采用发散小、易刻蚀的Au/SiO2光学腔,在提高纳米线光吸收效率的同时通过优化自对准芯片外轮廓加工精度的方式来提高自对准SNSPD的光耦合效率,并完成了配套的工艺研发.并通过小芯径光纤从器件封装角度提升耦合效率.除此之外,探测器的双层纳米线结构使其拥有更低的动态电感和更高的超导转变电流,进一步优化了器件的时间特性.实验制备的探测器在2.2 K温度下于1310 nm处达到最大效率82%,并且在1200—1600 nm波长范围内均有65%以上的系统探测效率,同时表现出40 MHz@3 dB的计数率以及38 ps的时间抖动.进一步,利用低温放大器读出系统可得到最小22 ps的时间抖动.本文研制的高综合性能超导单光子探测器,为实用化、产品化SNSPD提供了重要的技术参考.

超导纳米线单光子探测器研究新进展

现代科学技术已经发展到利用单个光子的量子态载运信息和进行计算.因此,高效、灵敏地探测单个光子是量子计量、量子通信、非线性光学等量子信息科学研究中最基础的技术之一.超导纳米线单光子探测器(SNSPD)是一种新型单光子检测器,具有暗计数低、探测速率高、检测频谱宽等优点,在众多领域存在潜在应用.本文概述了超导单光子探测器的工作机制和理论模型,重点介绍了兼容4inch硅工艺的SNSPD器件的关键技术工艺,如器件设计、材料结构、制备工艺和封装技术等.研制的超导单光子探测器,在1550nm波段,系统的单光子检测效率最高达到75%,暗计数小于100cps,与国际最好水平相当.在不断提高SNSPD性能研究的同时,还开展了利用SNSPD进行光子数分辨的研究,以及将其应用于光时域反射仪(OTDR)中,进行长距离光纤状态的分析和检测研究.

超导纳米线单光子探测器件的制备

超导纳米线单光子探测器件(SNSPD)是超导单光子探测系统的核心器件。文中介绍了成功制备的基于5nm厚的NbN超导超薄薄膜的SNSPD器件。器件核心结构为150nm宽的纳米曲折线结构,纳米线条占空比为75%,面积为20μm×20μm。超导纳米线是利用电子束曝光(EBL)技术和反应离子刻蚀(RIE)等工艺技术制备的。所制备的SNSPD样品,在温度3.5K下的临界电流约12.9μA;在1310nm波长光波辐照,12.5μA的偏置电流下,探测效率约0.016%。

超大面积超导纳米线阵列单光子探测器设计与制备

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)是综合性能最优异的新型单光子探测器之一,而传统的单像元SNSPD不具备空间分辨力,且光敏面小,光学耦合效率存在瓶颈,因此,研制大面积阵列器件是自由空间光子探测等应用的关键.然而,由于器件光敏面由大量超导纳米线组成,研发大面积的阵列SNSPD面临工艺复杂、成品率低、制备困难等问题.本文设计了一种超大面积纳米线阵列结构,利用电子束抗蚀剂氢倍半硅氧烷(HSQ)曝光后可形成氧化硅电学隔离层的特点,仅使用简化二维工艺即可完成大阵列SNSPD的制备,对多层结构的传统立体工艺实现了降维.器件经过行方向并联测量,未发现坏点,成品率高,且实现了基础的成像功能验证.此外,本设计中采用了全超导电极以减少电阻热效应,并在像元内增设了串并联电阻,从而均分偏置电流,同时能够可选地扩展阵列规模.本工作为超大型阵列SNSPD的设计与制备提供了一种思路,并有望应用于百万像素阵列SNSPD的制备,与高效读出电路结合实现兼备大视场和高灵敏度的焦平面光子探测与成像系统.

基于超导纳米线单光子探测器深空激光通信模型及误码率研究

高速深空通信是深空探测的关键技术之一,具备单光子灵敏度的激光通信系统将大大提高现有的深空通信速度.然而,单光子条件下的激光通信不仅需要考虑传输环境的影响,还需要考虑实际单光子探测器性能和光子数量子态的分布.本文在不考虑大气湍流影响的情况下,以光电探测模型为基础,引入超导纳米线单光子探测器(SNSPD)系统的探测效率和暗计数,建立了反应系统差错性能的数学模型,提出了系统误码率的计算公式.先对公式中的光强和激光脉冲重复频率对误码率的影响进行仿真,再通过实验结果验证仿真模型.结果表明,光强对误码率的影响最明显,随着光强从0.01光子/脉冲到1000光子/脉冲的增加,误码率从10^(-1)到10^(-7)量级明显下降;激光脉冲重复频率对误码率的影响受到不同光强的制约,但都随着脉冲重复频率的增加呈下降趋势.与此同时,当增加光强或者提高速度时,误码率高于仿真结果,约在10^(-4)量级,其原因可能是实际通信中调制光信号的消光比不足和光纤引入背景噪声提高了系统暗计数.以上模型和实验结果为进一步开展基于SNSPD的月球-地球、火星-地球等高速深空激光通信奠定了基础.

高效、偏振不敏感超导纳米线单光子探测器

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)因其优异的综合性能被广泛应用于量子通信等众多领域,然而其独特的线性结构会导致SNSPD的探测效率对入射光的偏振态具有依赖性,从而限制了SNSPD在非常规光纤链路或其他非相干光探测环境中的应用.本文基于传统的回形纳米线结构设计制备了一种新型偏振不敏感SNSPD,在纳米线周围引入一层高折射率Si薄膜作为介质补偿层来提高纳米线对垂直偏振态入射光的吸收效率,并将补偿层的上表面设计为光栅结构以减小不同波长下纳米线对不同偏振态入射光的吸收差异从而实现在特定波长范围内的偏振不敏感.除此之外,还采用介质镜和双层纳米线结构来提高器件的光吸收效率,测试结果表明该器件在1605 nm波长处最大探测效率为87%,对应的偏振消光比为1.06.该工作为未来实现高探测效率的偏振不敏感SNSPD提供了参考依据.

超导纳米线单光子探测器动态电感研究

单光子探测是一种量子极限光信号的检测技术,超导纳米线单光子探测器(Superconducting NanowireSingle-Photon Detector,SNSPD)作为一种新型的单光子探测技术,在量子通信等众多领域有着广阔的应用前景。SNSPD的动态电感直接决定了SNSPD的工作速度。文中对SNSPD动态电感的特性和测试方法做了详细的研究,成功实现了低温下SNSPD动态电感的测试,并对结果进行了分析处理和研究。利用BCS理论对动态电感随温度、偏置电流变化的特性进行分析计算,并与实际测量结果对比讨论,为未来如何降低SNSPD动态电感、提高其性能的研究工作提供了参考依据。

硅纳米线阵列光电探测器研究进展

硅(Si)作为最重要的半导体材料之一,被广泛应用于太阳电池、光电探测器等光电器件中.由于硅和空气之间的折射率差异,大量的入射光在硅基表面即被反射.为了抑制这种反射带来的损失,多种具有强陷光效应的硅纳米结构被研发出来.采用干法蚀刻方案多数存在成本高昂、制备复杂的问题,而湿法蚀刻方案所制备的硅纳米线阵列则存在间距等参数可控性较低、异质结有效面积较小等问题.聚苯乙烯微球掩膜法可结合干法及湿法蚀刻各自的优点,容易得到周期性硅纳米线(柱)阵列.本文首先概述了硅纳米线结构的性质和制备方法,总结了有效提升硅纳米线(柱)阵列光电探测器性能的策略,并分析了其中存在的问题.进而,讨论了基于硅纳米线(柱)阵列光电探测器的最新进展,重点关注其结构、光敏层的形貌以及提高光电探测器性能参数的方法.最后,简要介绍了其存在的主要问题及可能的解决方案.

超导纳米线单光子探测器光子响应机制研究进展

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)已在量子信息、深空激光通信、激光雷达等众多领域发挥了重要的作用.虽然SNSPD经过二十年的研究,但其光子响应本征机制还有待完善.深入理解与厘清其光子响应过程是研发高性能探测器的前提与关键.现在较为成熟的超导纳米线单光子探测器响应理论有热点模型和涡旋模型.但是这两种理论都存在一定的缺陷,前者存在截止波长,后者存在尺寸效应,都需要进一步完善.超导相位滑移是超导体的内禀性耗散,有望用于解释超导纳米线单光子探测器的光子响应过程,形成统一完备的理论.这三种模型是对SNSPD光子检测理解的不断深入:热点模型是一种唯象模型,研究电子-声子等准粒子体系的相互作用;涡旋模型由Ginzburg-Landau方程和电磁学方程出发,研究涡旋在超导体中的运动及其带来的超导态耗散;相位滑移模型是基于量子力学的解释,研究热扰动和宏观量子隧穿引发的超导态耗散.本文综述了热点模型、涡旋模型和超导相位滑移的基本概念、发展历史和研究进展,讨论和对比了这三种理论的特点和发展前景,为超导纳米线单光子探测器光子检测理论研究提供参考和借鉴.

自差分交流偏置超导纳米线单光子探测器

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)因其优异的综合性能,在量子信息、激光雷达等方面有广泛的应用.通常,SNSPD工作在直流偏置下,在时域上具有自由运行探测的优点.而在卫星激光测距、单光子激光雷达等光信号到达时间有规律的应用场景中,使用交流偏置有望提升器件运行速率、有效抑制背景暗计数,却存在信号读出困难的棘手问题.本文报道了自差分读出的交流偏置SNSPD系统,该系统包含两根并行排布纳米线构成的2-pixel SNSPD器件.给两根纳米线加载相同的100 MHz交流偏置信号,并对两路输出信号差分使噪声信号相抵消,实现光子响应信号的读出.基于该方法测得,响应信号的信噪比相比差分之前提升10倍,在交流偏置下器件的暗计数降低至直流偏置下的约1/4,计数率达到直流偏置下的约1.5倍.本文为交流偏置SNSPD测试提供了一种思路,为其应用提供参考数据.

超导纳米线单光子探测器暗记数的来源与抑制

超导纳米线单光子探测器作为未来深空激光通信系统的核心设备之一,其暗记数率对通信误码率有十分重要的影响。本文论述了超导纳米线单光子探测器暗记数的来源于抑制方法,通过低温制冷与片上滤光技术、优化纳米线结构与选取合适偏置电流的方式分别降低背景与本征暗记数;对现有探测系统进行测试,得到了最优工作状态下的偏置电流为20.5μA,其探测效率为54%,暗记数率为195Hz。

基于9根相互交错纳米线结构的高速超导纳米线单光子探测器取得重要进展

据科技部网站2018年8月3日报道,在国家重点研发计划“量子调控与量子信息”重点专项项目支持下,中国科学院上海微系统与信息技术研究所尤立星课题组报道了在1550nm的低光子通量极限下,利用9根相互交错的纳米线阵列,实现了70%系统探测效率（SDE）和200Hz暗计数率的高速SNSPD阵列.该项研究工作将有利于促进SNSPD的发展,使得SNSPD在量子密钥分发和遥感遥测等众多前沿科学和应用领域中扮演重要的角色.

基于9根相互交错纳米线结构的高速超导纳米线单光子探测器取得重要进展

超导纳米线单光子探测器（SNSPD）由于其优异的性能，在量子密钥分发、深空光通信、量子指纹、激光测距和成像等领域具有广阔的应用前景。其中，计数率是SNSPD的关键技术指标之一。长纳米线带来的大动态电感导致目前实用的SNSPD的计数率通常只能达到几十MHz，然而它对于实现高效光耦合却是必需的。相关研究表明用多个单独纳米线的阵列来替换长的单根纳米线可以同时降低动态电感且提高探测速度。

上海微系统所成功研制微纳光纤耦合超导纳米线单光子探测器仪表研发

超导纳米线单光子探测器(SNSPD:Superconducting nanowire single-photon detector)作为一种高性能的单光子探测器,已广泛应用于量子信息、激光雷达、深空通信等领域,有力推动了相关领域的科技发展。SNSPD器件主要有两种光耦合方式,一种是垂直光耦合方式,光纤端面平行于SNSPD光敏面,光子垂直入射到纳米线上。

上海徼系统所等研制出微纳光纤耦合超导纳米线单光子探测器

据报道，上海微系统所／中国科学院超导电子学卓越创新中心尤立星研究员团队和浙江大学教授方伟、童利民团队合作，首次提出微纳光纤耦合的SNSPD器件结构。

超导纳米线单光子探测现状与展望

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)是一种量子极限灵敏度的光探测器。它的基本原理是利用光子能量实现超导纳米线库珀对的拆对,从而在超导纳米线局域发生超导-非超导相变。和传统半导体单光子探测器相比,具有探测效率高、暗计数低、时间抖动小、死时间短、宽谱响应以及自由运行等优势。高性能SNSPD已经在量子信息、激光通信、激光雷达等领域得到了广泛应用。文中概述了过去几年间国内外在SNSPD研发、应用成果及产业化等方面的进展,并对SNSPD未来的技术发展和应用进行了展望。

超导单光子探测器用1~2K制冷机热力学优化

对工作在1~2K的超导纳米线单光子探测器(SNSPD)用多级脉冲管预冷焦耳-汤普逊(JT)的复合制冷机制冷性能进行了系统的热力学优化研究。阐述了该复合制冷机的结构设计和工作机理;基于热力循环分析提出了焓流模型,同时建立了适用于3 K以下温区的实际流体质量流量模型,并将二者结合,分析复合制冷机的性能;探讨了理想情况下净制冷量随末级预冷温度和上游压力的变化特性,应用所提出的模型通过离散参数拟合方法对二者进行优化。发现对于He-4和He-3工质,多级脉冲管末级最优预冷温度分别为11 K和8 K;以He-4为工质,该复合制冷机能在2.2 K的温度下提供85 mW以上的制冷量;以He-3为工质,能在1.0 K提供18.5 mW的制冷量,该性能能够满足SNSPD的实际应用需求。

纳米线阵列光电探测器的紫外特性研究

设计组装了ZnO纳米线阵列器件并对其进行了紫外光响应研究。结果表明,365 nm光照下的明电流是暗电流的4倍,响应时间0.46 s,延迟时间仅为288 ms,拟合得出的两弛豫时间常数分别是0.05 s和0.78 s。对ZnO纳米线阵列光探测器的工作机理进行了初步探讨。

上海技物所在室温纳米线单光子探测器研究中取得进展

据中国科学院上海技术物理研究所网站报道，近日，中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室胡伟达、陈效双、陆卫课题组在室温纳米线单光子探测器研究中取得进展。

单光子超导阵列探测器测得空间碎片自转周期

曾在国内首次实现月球激光测距的云南天文台应用天文研究团组,近日创造性地将单光子超导阵列探测器应用于空间碎片激光测距领域并取得成果,丰富了空间碎片监测手段。空间碎片激光测距是通过激光发射望远镜向空间碎片发射出一束激光,由探测器接收目标反射回来的激光回波,计时器测定激光束从发射到接收的时间,计算出从观测者到目标的距离。这种技术在确定地球和海洋潮汐变化的规律、监测空间碎片等方面具有重要作用。