单光子成像器能够精确获取单个光子的空间和时间信息，从而具备极高的灵敏度以及量子测量能力，是量子成像、低光通量成像、时间分辨单光子光谱学等应用亟需的理想探测器件。在近红外波段的众多单光子探测器中，超导纳米线单光子探测器（SNSPD）因其探测效率高、暗计数率低、计时分辨率高、和光谱响应宽而引人注目。将SNSPD集成至大规模阵列，从而实现上述的高性能成像器，这是当前SNSPD的研究重点。但由于低温环境的限制，如何设计读出方式分辨大量光子位置是一项棘手且具有挑战性的任务。
图1：OTAM-SNSPI器件架构和工作原理
针对上述问题，吴培亨院士领导的南京大学超导电子学研究所提出了一种正交时间-幅度复用读出方式(orthogonal time–amplitude multiplexing, OTAM)。通过巧妙设计纳米线的几何结构，在构造低速微波传输线的同时，量化光响应热岛的大小，将光子的位置信息编码至输出脉冲对的差分时间和差分幅度两个维度。这种方案的优势在于，通过引入了第二个幅度测量维度，补偿了时间测量上的不确定性。该团队实现了1024像素（32 × 32）的超导纳米线单光子成像器（SNSPI），其像素空间分辨率为12.6微米。相比仅采用时间复用读出方式 （DOI: 10.1038/nphoton.2017.35），器件的分辨率和像素规模提升了8倍。该OTAM-SNSPI成像器的性能通过单光子成像实验进行了进一步验证。当探测光子强度从平均每像素1000个光子衰减至1个光子时，该单光子成像器件都可以实现图像重构。
图2：基于OTAM读出方式的器件设计（a,b）、差分时-幅信号输出（c）、输出星座图（d,e）以及读出可信度（大于97%）分布（f）
图3：OTAM-SNSPI器件的单光子成像结果图（RISE为南京大学超导电子学研究所的英文简称）
该研究工作为实现大规模SNSPD阵列提供了一条高效的读出方式，这将加快量子测量、遥感、天文望远镜等大规模单光子成像仪的发展。相关研究工作以“Readout-efficient
superconducting nanowire single-photon imager with orthogonal
time–amplitude multiplexing by hotspot quantization”为题发表在Nature Photonics期刊上。审稿人指出：相比其它技术，该方法极大地降低了器件偏置和读出的复杂度(“the
present approach has the virtue of being significantly less complex in
terms of both device biasing and readout.”)。
南京大学电子科学与工程学院博士生孔令东为文章第一作者。赵清源教授和陈健教授为论文的通讯作者。涂学凑高工、张蜡宝教授、贾小氢教授和康琳教授协助探测器方面的制备。
该项研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中央高校等基金项目的资助。此项研究工作还得到国家高层次人才青年计划，江苏省双创、江苏高校优势学科建设工程，江苏省青蓝工程，江苏省电磁波先进调控技术重点实验室，紫金山网络通信与安全实验室的资助。
https://doi.org/10.1038/s41566-022-01089-6
《新兴图像传感器技术、应用及市场-2021版》
《小型、微型和芯片级光谱仪技术及市场-2020版》
