單光子探測技術可實現對單個光子量級的光能量捕獲和轉換，是量子傳感、量子通信等領域的重要研究課題。單光子探測技術憑借著極高的單光子靈敏度和皮秒量級時間分辨率的優勢，打破了傳統激光雷達只能通過增大激光功率和增大望遠鏡口徑來提高探測系統信噪比的技術禁錮，為激光雷達帶來了突破性進展。單光子激光雷達在目標探測、大氣測量和地形測繪等應用中發揮了重要作用，其中面向寬幅地形測繪和空基大氣測量等應用的機載平臺激光雷達需要小型化的單光子探測器。
根據工作機理，單光子探測器主要有光電倍增管（PMT）、單光子雪崩二極管（SPAD）、超導納米線單光子探測器（SNSPD）等類型。其中，SNSPD因其具有探測效率高、時間精度高、探測速度快和暗計數率低等特點，并且通過探測器結構設計后具備光子數分辨的能力，已廣泛應用于量子通信、激光雷達、熒光壽命成像，以及與納米光子電路的芯片集成等領域。然而，常規SNSPD所需低溫系統的體積和重量均較大，不易于應用到機載平臺；同時也尚未出現應用于機載平臺的SNSPD的相關報道。
據麥姆斯咨詢報道，近日，南京大學超導電子學研究所、北京跟蹤與通信技術研究所、南京電子技術研究所和南京航空航天大學物理學院的聯合科研團隊在《物理學報》上發表了以“面向機載平臺的小型超導單光子探測系統”為主題的論文。該論文第一作者為何廣龍和薛莉，通訊作者為南京航空航天大學夏凌昊研究員和南京大學張蠟寶教授。
這項研究工作設計并制備了工作溫度為4.2 K的SNSPD，該探測器芯片的光敏面積為60 μm × 60 μm，具有四通道光子數可分辨的能力，單個通道由4個面積為15 μm × 15 μm的像元串聯組成，共計16像元，通過光束壓縮系統耦合到直徑200 μm的光纖，在溫度為4.2 K時量子效率大于50%@1064 nm。通過抗沖擊和振動的超導芯片封裝系統，以及小型化系統設計等，獲得完整的機載單光子探測系統，并通過了振動實驗和沖擊試驗等標準測試。
該探測器芯片以NbN作為超導材料，NbN薄膜厚度為7 nm，制備流程包含七步（如圖1所示）：（1）在Si襯底上沉積134 nm厚的Si3N4層；（2）在Si3N4上制備NbN薄膜；（3）制備Au電極；（4）制備納米線條；（5）制備并聯電阻Rp；（6）制備光學腔；（7）制備反射鏡。
圖1 四通道16像元SNSPD制備流程
圖2 納米線掃描電子顯微鏡（SEM）圖像：總面積為60 μm × 60 μm，共四個通道，每個通道包括4個像元（①②③④）。紅色圓虛線表示入射光斑大小，直徑為60 μm。綠色線框表示1號通道左、中、右3個位置處的納米線，線寬為65 nm ± 2 nm，分布較為均勻。
隨后，研究人員首先對該SNSPD器件性能進行了常規表征。實驗采用1064 nm脈沖激光器作為光源，使用可調衰減器衰減入射光功率以獲得單光子信號。從芯徑為200 μm的光纖末端輸出的單光子信號還需經過放大倍率為0.3倍的光學透鏡組聚焦后穿過厚度為500 μm的硅襯底耦合至探測器光敏面。入射光經耦合透鏡組聚焦至探測器上的光斑直徑為60 μm，略小于探測器芯片的光敏面積。其中，厚度為500 μm的硅襯底對1064 nm波段光的透過率為61%。將探測器安裝在可控溫的GM（Gifford-Mcmahon）制冷機中，最低工作溫度可達2.1 K。電流-電壓（I-V）特性體現了SNSPD最基本的超導特性，決定了探測器芯片的正常工作范圍，偏置電流的大小直接影響探測器的探測效率、暗計數率和脈沖幅度等基本特性。探測效率是SNSPD最主要的特性之一，通過對GM制冷機進行控溫，分別測量在3.0 K、3.5 K、4.2 K這三個溫度下器件的系統效率和量子效率。在溫度低于3.5 K時，4個通道量子效率均達到飽和；在溫度為4.2 K時，4個通道量子效率均大于50%，如圖3（a）所示。
圖3 器件性能測試。（a）器件在不同溫度下的量子效率，在溫度小于3.5 K時四通道量子效率均達飽和，但飽和區間長度隨著溫度上升而減小，當溫度升至4.2 K時，通過對實驗結果的擬合，得到4個通道的量子效率均大于50%；（b）光子響應幅值分布統計，呈現4個高斯分布，統計分布的中心值分別為56 mV、72 mV、87 mV、98 mV，分別對應單光子、雙光子、三光子和四光子響應情況；（c）通過示波器采集不同光子數響應的脈沖信號，單光子響應時的信噪比為56 mV/20 mV ≈ 2.8
研究人員利用示波器統計響應信號幅值的分布情況：圖3（b）展示了示波器采集的信號幅值的分布，共采集了3萬次左右的光子響應計數，此統計圖呈現出4個高斯分布，分別對應單光子、雙光子、三光子和四光子響應情況。該研究工作制備了四通道并行讀出的陣列光子數分辨SNSPD：單個通道實現了4個光子數分辨，4個通道可實現16個光子數分辨。利用示波器采集不同光子數響應的脈沖信號波形，脈沖恢復時間(t)半高寬為90 ns，單光子響應時的信噪比為2.8，如圖3（c）所示。
研究人員還測試了該SNSPD芯片單個通道的時間特性，在不同光子數響應的情況下得到了不同的時間抖動（時間抖動描述了光子到達探測器的時間與輸出脈沖時間之間的波動），相關測試結果如圖4所示。其中，四光子響應時的時間抖動最小，半高寬為110 ps。
圖4 時間特性測試。（a）單光子響應模式下時間抖動測量：由于器件單通道包含了4個像元，不同像元之間信號傳輸線的長度不同，導致信號傳輸時間不同，在時間軸上表現為4個高斯分布的疊加；（b）多光子響應時時間抖動測量：由于存在雙光子、三光子和四光子響應多種狀態，在時間軸上無明顯的分布特征；（c）四光子響應時間抖動測量：只存在4個像元同時響應的情況，因此只有一個高斯分布時抖動最小，高斯分布半高寬110 ps
該SNSPD設計亮點在于采用了窄線寬納米線來提高探測器的量子效率。這樣增加了效率的飽和區間長度，并克服了由溫度上升所致的量子效率下降問題，成功將SNSPD的工作溫度提高至液氦溫區。同時，該SNSPD芯片還通過并聯電阻的方式實現了光子數分辨功能，有助于探測系統獲取更多信息從而提高探測精度。
最后，為了應對機載測試中的發射加速、劇烈振動和沖擊等機械環境的考驗，研究人員設計了抗沖擊和振動的超導芯片封裝系統，得到完整的機載單光子探測系統，并按照軍用標準進行整機測試工作。此論文未介紹該系統獲得低溫環境的技術細節。在長達3小時候的測試過程中，SNSPD一直有穩定的輸出信號，說明電路和系統均完好，滿足復雜機載環境下的高精度探測應用要求，這對于推動發展通用型小型化SNSPD系統及其應用具有積極意義。
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DOI: 10.7498/aps.72.20230248
