超导单光子探测器在生物领域中的应用进展综述

自2001年被发明以来，超导纳米线单光子探测器（SNSPD）迅速成长为近红外波段的明星光子探测器，其在近红外波段如1550 nm处系统探测效率超过95%，暗计数率低于1 cps（counts per second），时间抖动优于10 ps，探测速率高于1 GHz，并广泛应用在量子信息领域。近年来，研究人员开始将SNSPD引入到生物领域，以替代在近红外波段具有低信噪比、多后脉冲的半导体单光子探测器。

据麦姆斯咨询报道，针对该领域发展概况，赋同量子科技（浙江）有限公司与中国科学院上海微系统与信息技术研究所的科研团队进行了综述分析，包括SNSPD的探测原理和性能指标，并系统地阐述SNSPD在生物领域中的应用现状和发展前景。相关研究内容以“超导单光子探测器在生物领域中的应用进展（特邀）”为题发表在《激光与光电子学进展》期刊上。

SNSPD的发展与研究现状

1911年，荷兰科学家Onnes发现纯汞在温度低于4.2 K时，其电阻突然降到0，并将这种新奇状态命名为超导态。零电阻是当材料温度低于某个临界温度时，材料里的自由电子不再互相排斥，而是在晶格的作用下两两配对（Cooper pair，库珀对），形成的一种特殊凝聚态。超导体也存在能隙，常见低温超导材料如Nb、NbN、NbTiN、MoSi、WSi等，能隙均在meV量级，相比近红外波段光子能量（~1 eV左右）低接近3个数量级。2003年左右，SNSPD的低暗计数率、无后脉冲、极低抖动等独特性能和高探测效率、高计数率等潜在性能率先引起了20世纪末兴起的量子信息领域的青睐，随后蓬勃发展的量子信息领域进一步引发了SNSPD的研究热潮和性能快速迭代。

目前国际上有20余家SNSPD研究单位，国外有：美国的麻省理工学院、国家标准与技术研究所、喷气动力实验室、耶鲁大学；日本的国立情报与通信研究所；俄罗斯的莫斯科师范大学；荷兰的代尔夫特理工大学；瑞士的日内瓦大学；英国格拉斯哥大学等。国内的研究单位包括中国科学院上海微系统与信息技术研究所（简称上海微系统所）、南京大学、天津大学等。在产业化方面，SNSPD也呈现出较好的发展态势，目前全球已经出现7家以SNSPD为核心产品的中小型高科技公司，包括Photon Spot（美国）、Quantum Opus（美国）、Scontel（俄罗斯）、Single Quantum（荷兰）、ID Quantique（瑞士）、Pixel Photonics（德国）和赋同量子（PHOTEC，中国）。可以看出，在核心性能指标方面，SNSPD在近红外波段已经远超半导体同行，其系统探测效率超过95%@1550 nm，暗计数率低至1 cps（counts per second）以下，时间抖动优于20 ps，计数率高于1 GHz等。据不完全统计，截至2023年，全球SNSPD探测系统累计出货量接近1000台套。

SNSPD的探测原理和核心性能参数

SNSPD探测原理

SNSPD一般是由一根超薄、超细的纳米线条蜿蜒曲折构成，其典型厚度在5~10 nm之间，与超导Ginzburg-Landu相干长度相当，典型宽度在50~100 nm之间，是厚度的10倍或以上，从几何上可以描述成一个准二维系统，从电路结构上可以描述为一个动态电感Lₖ和一个时变电阻Rₙ（t）的串联，如图1（b）所示。SNSPD主要是基于光子破坏超导库珀对进而使得器件从超导态跳变到正常态实现光子探测，研究人员先后提出了多种光子探测机理模型，主要有热点模型、扩散热点模型、涡旋成核模型、涡旋穿越模型、超导相位滑移模型等，但迄今为止没有哪一种单一的模型能解释所有的实验现象。本文主要介绍最为经典和通俗易懂的唯象模型——热点模型。

图1 SNSPD的“热点模型”探测机理

SNSPD系统性能指标

系统探测效率（SDE）是单光子探测器最核心的指标，即实际探测到的由光子引起的输出响应脉冲数与入射光子数之间的比值，是一个无量纲单位。系统探测效率受很多因素的影响，主要包括光耦合效率、光吸收效率和光响应效率等。其中，光耦合效率主要是光子入射到探测器光敏面上的概率，与入射光场与探测器光敏面阻抗、模式匹配等相关。通过优化工艺流程制备更大光敏面器件或者利用透镜［图2（a）］等手段聚焦光场可以将光耦合效率提升至接近100%。

图2 三种提高系统探测效率的方法

暗计数率（DCR）指没有光子入射情况下器件产生的和光子响应类似的输出信号，是一种误发信号，一般包括器件在电路偏置以后自发产生的计数及系统杂散光引起的计数，以每秒产生的个数来表达，单位为cps。如图3（a）所示，SNSPD器件的暗计数率曲线随着偏置电流增加首先缓慢增加，接近临界电流时，迅速呈指数形式增加。前者主要与光纤引入的黑体辐射相关，称为“背景暗计数”。后者与纳米线条的缺陷、工作温度等因素相关，称为“本征暗计数”。

图3 暗计数率

时间抖动（TJ）又称仪器响应函数（IRF），是指从光信号输入到电信号输出的间隔时间的不确定性，一般以半峰全宽（FWHM）来定义，在特殊应用场景下需要考虑1/10高全宽（FWTM）。时间抖动越小，意味着探测器的时间分辨度和精确度越好，对探测器在时间精度相关领域的应用有着决定性的影响。如图4所示，SNSPD时间抖动呈高斯分布，而SPAD的时间抖动存在拖尾。

图4 SNSPD与SPAD抖动对比图

计数率是指SNSPD器件在单位时间内光子触发并响应的电脉冲数量。而基于“热点”模型，SNSPD接收一个光子并产生响应后，将有一段从无法探测光子到探测效率逐渐恢复的过程，这段时间被称为SNSPD的死时间。计数率通常与死时间成反比，主要影响因素有器件自身的动态电感、外部的偏置读出电路等。

单光子探测器一般只能对一定光谱范围内的光子产生响应，常规的半导体单光子探测器一般采用半导体材料如Si、InGaAs等，其能隙在1 eV左右，与近红外波段光子能量相近，最远探测波段只能到1700 nm。

SNSPD在生物领域的应用

按照成像原理，生物成像可以分为光学方法和非光学方法。光学方法是指利用生物体的特定光学特性如透射、反射、吸收、荧光等的空间、时间变化来获得光学图像，主要包括宽场荧光显微镜、共聚焦显微镜、多光子显微镜、荧光寿命成像、漫反射光谱等方法。相较于非光学方法，如计算机层析成像（CT）、核磁共振成像（MRI）等，光学成像方法具有较多优势，如不存在电离辐射、分辨率较高、可实现特异性标记等。

探测器是生物光学成像中的核心部件，目前常用的探测器一般为半导体探测器，包含少光子灵敏的CMOS和CCD以及单光子灵敏的PMT、SPAD、SiPM等。相比上述探测器，SNSPD的主要优势如下：1）在近/中红外波段具有单光子灵敏度，且具有高达90%以上的系统探测效率和低至1 cps的暗计数率，信噪比相比半导体探测器可以提高2~3个数量级，在荧光激发效率较低的应用中有明显优势；2）SNSPD无后脉冲和低时间抖动，在荧光寿命成像、荧光相关光谱等时间相关应用中具有明显优势。依托上述优势，近年来部分研究小组将SNSPD引入到生物成像领域。

图5 近红外Ⅱ/Ⅲ区荧光共聚焦显微镜

图6 基于PMT和SNSPD荧光寿命探测系统性能对比

图7 基于SNSPD的单线态氧荧光探测系统

图8 基于SNSPD的漫反射相关光谱系统

SNSPD未来发展趋势

尽管SNSPD有诸多出色的优势，但至今尚未广泛用于生物成像领域。主要限制如下：相对PMT探测器，SNSPD有效光敏面小，一般直径在15~50 μm之间，导致光学对准困难；相对CCD、CMOS、SPAD等探测器，其阵列像元数较少，无法实时成像等；另外，其工作温度较低（~2 K），需要体积庞大的低温冷却系统等。针对以上问题，本文逐一介绍SNSPD的解决方案和发展趋势。

SNSPD的核心结构是由数十至百纳米宽的超导线条蜿蜒而成，纳米线缺陷数量会随着纳米线长度增加而增加，导致大光敏面SNSPD器件制备成品率极低。随着技术进步，SMSPD有望在未来实现cm²尺度的超大光敏面，不过其实用化的主要问题在于为了使临界电流接近拆对电流，SMSPD工作温度需要更低，一般在1 K以下，下一步发展趋势是提高SMSPD的工作温度。

红外探测器的发展一般沿着单元器件、小规模多元探测器、线列和小规模二维面阵、大规模焦平面阵列的路线。与常规的面探测器不同，SNSPD是线探测器，其阵列结构可以更加多样化，比如常规的具有空间位置分辨的N×M结构、多根线并行缠绕结构、基于延时线的阵列结构等（图9）。目前SNSPD还停留在小规模多元探测器阶段，阵列数量一般小于100，在激光雷达、量子通信等研究中得到初步应用。

图9 红外探测器阵列结构

SNSPD一般采用低温超导材料，如NbN、NbTiN等，需要工作在液氦温区以下，因此SNSPD探测系统主要包括制冷系统、真空系统和电子学系统三大部分，商业化系统效果图如图10所示。

图10 商业化SNSPD探测系统QEye实物图

结束语

21世纪初兴起的SNSPD技术有效助力了我国量子信息领域的快速发展。与半导体单光子探测器如PMT和SPAD相比，SNSPD在近红外波段具有更高的效率、更低的噪声、更高的计数率、更低的抖动且无后脉冲。近年来，SNSPD逐步迈出量子信息领域，成为生物成像、激光雷达、深空通信等弱光探测应用的选择之一。以SNSPD的基本工作原理为基础，讨论了重要性能指标的影响因素，着重介绍SNSPD在生物成像方面的最新应用进展。

当前，我国在SNSPD方面具备较好的技术储备和商业化公司，但依然处于发展的黄金上升期。预计未来SNSPD会在生物成像领域驱动下朝着大光敏面、小规模阵列、更高工作温度、更远工作波段等方向发展，而探测器性能的提高将进一步拓展SNSPD在生物成像领域中的应用范围，并且有希望助力近红外Ⅲ区生物成像的首次实现。

论文信息：

DOI: 10.3788/LOP232429

审核编辑：刘清