利用内嵌2D光子晶体结构实现极低占空比超导纳米线单光子探测器

近日，中国科学院上海微系统所尤立星、李浩团队与武爱民团队合作，利用内嵌2D光子晶体结构实现了极低占空比超导纳米线单光子探测器，在保证高吸收效率的同时成倍提高了探测速度。相关成果以“Ultralow-filling-factor superconducting nanowire single-photon detector utilizing a 2D photonic crystal”为题于11月24日在线发表在中科院一区学术期刊Photonics Research（Vol. 11, Issue 12, pp. 2128-2135 (2023)），并入选当期的编辑推荐 (Editor’s Pick)。

超导纳米线单光子探测器的快速发展使其在量子计算、深空通信、遥感和生物荧光成像等多个前沿领域得到了广泛应用。尤其是激光雷达和成像领域，要求探测器既要实现高探测速度，同时还能保持高系统探测效率，以获得更高的信噪比和最大计数率。

对于给定的光敏面大小(典型直径为15~23 μm)，通常可以通过降低纳米线的占空比减小器件的动态电感和恢复时间，从而提高探测速度，但代价是纳米线吸收效率的严重衰退，因此难以同时实现高速且高效的探测。针对这种制衡关系，联合团队提出了一种光场局域化方法，通过在超窄(~80 nm)超薄(~6 nm)超导NbN线条下方集成2D光子晶体结构，在目标波长(1550 nm)实现了90%的吸收效率。在该设计中，纳米线占空比缩小到至12%，为传统介质反射镜结构器件的1/3，饱和计数率达到了80 MHz，对应恢复时间只有12 ns，实现了接近3倍探测速度的提升。

图1 极低占空比SNSPD (a-b)结构图，(c-d)电场分布图，(e)吸收、反射及透射谱，(f)探测效率及暗计数率曲线，(g)不同占空比脉冲恢复速度图，(h)计数率曲线。

论文第一作者为上海微系统所博士后肖游，中北大学曹溪源副教授为共同一作。通讯作者为上海微系统所李浩研究员和武爱民研究员。该研究得到了国家自然科学基金（12033007、61827823、61971408），上海市扬帆计划（21YF1455700）以及中科院青促会（2020241）等项目的支持。

审核编辑：刘清