單光子成像技術通過對每個光子攜帶的時空信息進行探測，實現對物體圖像的重構。基于超導納米線的單光子探測器（SNSPD）具有高效率、低時間抖動、寬響應波段的優勢，非常適合單光子成像場景的需求。超導納米線延遲線單光子成像器件是一種新型的單光子成像器件，它利用超導納米線特有的高動態電感構造低速微波傳輸線，通過對輸出電脈沖進行時間邏輯分析，同步讀取光子的到達時刻和空間位置。
圖1 超導納米線單光子探測器
據麥姆斯咨詢報道，南京大學電子科學與工程學院和超導電子學研究所的科研團隊從超導納米線延遲線單光子成像器件的設計原理、幾何結構和讀出方式入手，對基于此成像器件在強背景噪聲下的單光子成像進行實驗，證明了通過高性能器件和重構算法的聯合優化所實現的成像系統性能增強。相關研究內容以“超導納米線延遲線單光子成像器件進展及應用”為題發表在《激光與光電子學進展》期刊上。
超導納米線延遲線成像器件
本征的時空雙態光子信息讀出
利用讀出電路對SNSPD探測器陣列進行復用讀出，隨著陣列規模的提升，讀出電路的規模和復雜度也增加。同時，超導探測器所工作的極低溫環境又對讀出電路的功耗提出了嚴苛的要求。2017年，美國麻省理工學院的Karl Berggren教授、趙清源博士后及其合作者提出一種無需片上讀出電路的超導納米線單光子成像器件（SNSPI）。如圖2所示，SNSPI同樣采用超導納米線作為光探測單元，但不同于傳統單個SNSPD的設計，SNSPI中的納米線被設計為微波傳輸線的結構。當光子在納米線位置X處被吸收，會破壞此處納米線的超導狀態，將其激發至電阻態。納米線超導至電阻態的轉變，同時也激發出一對傳輸方向和極性相反的電脈沖。這種基于時間延遲的讀出方式可以應用于超導納米線單光子探測器的另一個重要原因在于：超導納米線具有極高的動態電感[~1000倍于納米線（100 nm寬）的幾何電感，如圖3]。
圖2 超導納米線延遲線實現光子時空雙態讀出示意圖
圖3 超導納米線微波特性
SNSPI幾何結構設計
超導納米線成像器件由一根連續的納米線蜿蜒實現。通過控制納米線的空間蜿蜒結構，可以獲得不同形式的面陣和線陣。一種成像器件的設計方式是用一根連續的納米線同時作為探測器和延遲線，如圖4(a)所示。這種設計方式可以使得器件有著較高的有效面積填充率，繼承了SNSPD高效率的優勢。若采用微帶線設計，還能夠去除共面波導結構中的接地區域，結合光學腔的優化，能夠將總體探測效率提高至50%以上。采用連續的納米線實現高密度區域，能夠實現高的探測效率，但受制于納米線均勻性的影響，不易于制備大面積的成像器件。另一種設計方式是把超導納米線分為光響應單元和延遲線兩部分，如圖4(b)所示。如圖4(c)所示，每一個探測單元都是3根5 μm長、100 nm寬的并聯納米線，也叫作超導納米線雪崩探測器（SNAP）。除了面陣成像器件外，延遲線結構的成像器件也十分適合設計成一維的線陣器件，如圖4(d)所示。相比于面陣器件，線陣器件雖然只有一維的空間分辨，但是具有更高的空間分辨率和像素填充率。2019年，耶魯大學利用一維空間分辨的延遲線成像器和衍射光柵，設計了一種片上單光子光譜儀，延遲線成像器為光譜儀提供了超過200個光譜通道，并具有進一步的擴展性。
圖4 不同的超導納米線延遲線成像器幾何結構
SNSPI基本性能表征
以分離型SNSPI面陣成像器件為例，介紹器件的工作原理和基本性能。圖5為SNSPI讀出電路的原理圖。超導納米線延遲線成像器件的典型脈沖波形如圖6(a)所示。
圖5 SNSPI讀出電路原理圖
圖6 SNSPI的時空探測基本性能
SNSPD在單光子成像中的應用
在單光子成像中，由于信號光子稀少，因此圖像質量受背景光子的影響很嚴重。當前的一些少光子成像技術利用一些背景噪聲去除算法，可以在背景-信號光子比（BSR;RBSR）小于25的條件下恢復出目標物體的三維圖像。對于背景噪聲這類極其強烈的場景，單光子成像的難點就變成了如何有效地區分信號光子和背景噪聲光子。在主動成像中，成像系統接收的信號光子會在時間域上聚集在一起，而背景噪聲光子則會均勻分布在整個時間軸上。基于這個原理，信號光子可以通過窄的時間窗口從背景噪聲光子中區分開。本課題組制備的SNSPI，所有像元的總時間抖動為60 ps，繼承了SNSPD低時間抖動的優點。越低的時間抖動意味著可以使用更窄的時間窗口，從而更有效地去除噪聲光子。本課題組在實驗上驗證了高背景噪聲下（RBSR>100）的單光子成像，并證明了SNSPI低時間抖動在單光子成像中的優勢。
成像裝置
圖7所示為基于SNSPI的主動成像系統。一束波長為1550 nm的亞皮秒激光經過準直器和散射片后，輻照到目標物體上。為了模擬背景噪聲，將一束波長為1550 nm的連續光直接照射到器件上。兩個級聯的帶通濾波器，可以在0.2~12 μm范圍內提供一個以1550 nm為中心、寬度為12 nm的光學通帶，從而可以在實際應用中濾除掉大部分背景光子噪聲。該成像系統中的紅外相機用于在實驗中幫助SNSPI找到目標物體的位置，并不參與實際成像。
圖7 單光子成像系統
圖像重構方法
單光子成像器可以捕捉到每個光子的時間和空間信息，但是直接的成像并沒有最大化地利用這些信息，導致成像質量差，甚至在噪聲的影響下無法獲取圖像信息。一方面，傳統的光子計數成像中，利用對光子進行長時間的累加，使用光子數來表征圖像的強度，利用光子的平均飛行時間來表征物體的深度。當光衰弱到每個像素只有幾個光子時，在強泊松噪聲的影響下，這樣的方法就失效了。此外，單光子成像器對信號光子和噪聲光子的采集是不加區分的，背景噪聲光子的存在進一步降低了所獲圖像的信噪比。因此，需要利用好成像過程的數學模型以及一些物體的先驗知識，最大化地利用單光子的時空信息，才能重構出清晰的目標圖像。
如圖8所示，圖像的三維重構過程分為三大步。第一步，對所有探測到的光子時間進行統計，得到一個1 ns寬的時間門，并除去這個時間門之外的所有光子。這一步可以消除98%的噪聲光子，從而產生一個新的點云Φ?。第二步，為每一個像素找到一個合適的窄的時間門用于去除噪聲，從而形成一個新的點云Φ?，即三維切片去噪算法（3D slicing denoising algorithm）。第三步，從去噪后的數據中，利用一些成熟的圖像重構算法重構出物體的強度和深度圖像。
圖8 算法處理框圖
成像結果分析
在不同的BSR下重復了單光子成像實驗。實驗中，信號光子水平保持在平均一個像素內包含一個光子，通過評估強度圖的峰值信噪比（PSNR）和深度圖的平均絕對誤差（MAE）來判斷不同背景噪聲下的成像效果。從圖9可以看到，隨著BSR的增大，PSNR減小，MAE也減小。
圖9 暗計數率
結論
超導納米線延遲線單光子成像器件是一種新型的超導單光子探測器，它利用超導納米線特有的高動態電感構建低速微波延遲，通過時間邏輯的方式，實現對光子到達時刻和位置的雙重讀取。這種基于超導納米線本身電學性能實現的光子位置讀出，避免了使用復雜低溫數字電路對超導納米線單光子探測器陣列進行片上讀取，是一種快速實現單光子成像的理想器件；同時，這種本征的讀出方式保證了探測器的性能不受讀出電路的影響，保留了超導納米線單光子探測器低時間抖動的優勢。因此，SNSPI非常適合基于光子飛行時間測量的單光子成像應用。目前，SNSPI的探測效率還受制于傳輸線結構導致的低占空比以及缺少集成的光學諧振腔，需要通過同時優化微波和光學設計來實現系統探測效率的提升。成像速度、探測器面積等方面還有很大的提升空間，需要從高性能超導納米線制備、低溫脈沖信號放大、高速時間測量等方面繼續優化。SNSPI基于時間延遲的讀出方式，無法實現多光子同時到達事件的測量，這將影響SNSPI在較強光輻照下的成像效果。通過分析輸出波形的特征，能夠做到少數光子數的分辨，但實際應用時，需要匹配高速模數轉換器。另外，結合SNSPI探測模型的圖像重構算法的優化，也是提升系統成像能力的關鍵技術之一。
DOI: 10.3788/LOP202158.1011002
