单光子探测技术可实现对单个光子量级的光能量捕获和转换，是量子传感、量子通信等领域的重要研究课题。单光子探测技术凭借着极高的单光子灵敏度和皮秒量级时间分辨率的优势，打破了传统激光雷达只能通过增大激光功率和增大望远镜口径来提高探测系统信噪比的技术禁锢，为激光雷达带来了突破性进展。单光子激光雷达在目标探测、大气测量和地形测绘等应用中发挥了重要作用，其中面向宽幅地形测绘和空基大气测量等应用的机载平台激光雷达需要小型化的单光子探测器。
根据工作机理，单光子探测器主要有光电倍增管（PMT）、单光子雪崩二极管（SPAD）、超导纳米线单光子探测器（SNSPD）等类型。其中，SNSPD因其具有探测效率高、时间精度高、探测速度快和暗计数率低等特点，并且通过探测器结构设计后具备光子数分辨的能力，已广泛应用于量子通信、激光雷达、荧光寿命成像，以及与纳米光子电路的芯片集成等领域。然而，常规SNSPD所需低温系统的体积和重量均较大，不易于应用到机载平台；同时也尚未出现应用于机载平台的SNSPD的相关报道。
据麦姆斯咨询报道，近日，南京大学超导电子学研究所、北京跟踪与通信技术研究所、南京电子技术研究所和南京航空航天大学物理学院的联合科研团队在《物理学报》上发表了以“面向机载平台的小型超导单光子探测系统”为主题的论文。该论文第一作者为何广龙和薛莉，通讯作者为南京航空航天大学夏凌昊研究员和南京大学张蜡宝教授。
这项研究工作设计并制备了工作温度为4.2 K的SNSPD，该探测器芯片的光敏面积为60 μm × 60 μm，具有四通道光子数可分辨的能力，单个通道由4个面积为15 µm × 15 µm的像元串联组成，共计16像元，通过光束压缩系统耦合到直径200 μm的光纤，在温度为4.2 K时量子效率大于50%@1064 nm。通过抗冲击和振动的超导芯片封装系统，以及小型化系统设计等，获得完整的机载单光子探测系统，并通过了振动实验和冲击试验等标准测试。
该探测器芯片以NbN作为超导材料，NbN薄膜厚度为7 nm，制备流程包含七步（如图1所示）：（1）在Si衬底上沉积134 nm厚的Si3N4层；（2）在Si3N4上制备NbN薄膜；（3）制备Au电极；（4）制备纳米线条；（5）制备并联电阻Rp；（6）制备光学腔；（7）制备反射镜。
图1 四通道16像元SNSPD制备流程
图2 纳米线扫描电子显微镜（SEM）图像：总面积为60 µm × 60 µm，共四个通道，每个通道包括4个像元（①②③④）。红色圆虚线表示入射光斑大小，直径为60 µm。绿色线框表示1号通道左、中、右3个位置处的纳米线，线宽为65 nm ± 2 nm，分布较为均匀。
随后，研究人员首先对该SNSPD器件性能进行了常规表征。实验采用1064 nm脉冲激光器作为光源，使用可调衰减器衰减入射光功率以获得单光子信号。从芯径为200 µm的光纤末端输出的单光子信号还需经过放大倍率为0.3倍的光学透镜组聚焦后穿过厚度为500 µm的硅衬底耦合至探测器光敏面。入射光经耦合透镜组聚焦至探测器上的光斑直径为60 µm，略小于探测器芯片的光敏面积。其中，厚度为500 µm的硅衬底对1064 nm波段光的透过率为61%。将探测器安装在可控温的GM（Gifford-Mcmahon）制冷机中，最低工作温度可达2.1 K。电流-电压（I-V）特性体现了SNSPD最基本的超导特性，决定了探测器芯片的正常工作范围，偏置电流的大小直接影响探测器的探测效率、暗计数率和脉冲幅度等基本特性。探测效率是SNSPD最主要的特性之一，通过对GM制冷机进行控温，分别测量在3.0 K、3.5 K、4.2 K这三个温度下器件的系统效率和量子效率。在温度低于3.5 K时，4个通道量子效率均达到饱和；在温度为4.2 K时，4个通道量子效率均大于50%，如图3（a）所示。
图3 器件性能测试。（a）器件在不同温度下的量子效率，在温度小于3.5 K时四通道量子效率均达饱和，但饱和区间长度随着温度上升而减小，当温度升至4.2 K时，通过对实验结果的拟合，得到4个通道的量子效率均大于50%；（b）光子响应幅值分布统计，呈现4个高斯分布，统计分布的中心值分别为56 mV、72 mV、87 mV、98 mV，分别对应单光子、双光子、三光子和四光子响应情况；（c）通过示波器采集不同光子数响应的脉冲信号，单光子响应时的信噪比为56 mV/20 mV ≈ 2.8
研究人员利用示波器统计响应信号幅值的分布情况：图3（b）展示了示波器采集的信号幅值的分布，共采集了3万次左右的光子响应计数，此统计图呈现出4个高斯分布，分别对应单光子、双光子、三光子和四光子响应情况。该研究工作制备了四通道并行读出的阵列光子数分辨SNSPD：单个通道实现了4个光子数分辨，4个通道可实现16个光子数分辨。利用示波器采集不同光子数响应的脉冲信号波形，脉冲恢复时间(t)半高宽为90 ns，单光子响应时的信噪比为2.8，如图3（c）所示。
研究人员还测试了该SNSPD芯片单个通道的时间特性，在不同光子数响应的情况下得到了不同的时间抖动（时间抖动描述了光子到达探测器的时间与输出脉冲时间之间的波动），相关测试结果如图4所示。其中，四光子响应时的时间抖动最小，半高宽为110 ps。
图4 时间特性测试。（a）单光子响应模式下时间抖动测量：由于器件单通道包含了4个像元，不同像元之间信号传输线的长度不同，导致信号传输时间不同，在时间轴上表现为4个高斯分布的叠加；（b）多光子响应时时间抖动测量：由于存在双光子、三光子和四光子响应多种状态，在时间轴上无明显的分布特征；（c）四光子响应时间抖动测量：只存在4个像元同时响应的情况，因此只有一个高斯分布时抖动最小，高斯分布半高宽110 ps
该SNSPD设计亮点在于采用了窄线宽纳米线来提高探测器的量子效率。这样增加了效率的饱和区间长度，并克服了由温度上升所致的量子效率下降问题，成功将SNSPD的工作温度提高至液氦温区。同时，该SNSPD芯片还通过并联电阻的方式实现了光子数分辨功能，有助于探测系统获取更多信息从而提高探测精度。
最后，为了应对机载测试中的发射加速、剧烈振动和冲击等机械环境的考验，研究人员设计了抗冲击和振动的超导芯片封装系统，得到完整的机载单光子探测系统，并按照军用标准进行整机测试工作。此论文未介绍该系统获得低温环境的技术细节。在长达3小时候的测试过程中，SNSPD一直有稳定的输出信号，说明电路和系统均完好，满足复杂机载环境下的高精度探测应用要求，这对于推动发展通用型小型化SNSPD系统及其应用具有积极意义。
论文链接：
DOI: 10.7498/aps.72.20230248
