上海微系统所在超导单光子探测器技术领域取得新突破

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2021年5月21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上，并入选当期的编辑推荐（Editor’s Pick）。

光敏面直径50微米的超导微米线单光子探测器（SMSPD）

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年，俄罗斯科学家提出理论预测，当一个微米级的“脏”超导线偏置到接近拆对电流的状态时，它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，超导微米线单光子探测器（SMSPD）具有更小的动态电感，更高的工作电流和更低的加工精度要求等优势，为研发超大光敏面、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中，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%的SMSPD（92.2%@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。

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