据麦姆斯咨询报道，近期，南京大学张蜡宝教授课题组研制出一种接近像素级读出的超导纳米线单光子探测器（SNSPD）阵列，相关内容以“Approaching pixel-level readout of SNSPD array by inductor-shaping pulse”为题，发表于《应用物理快报》（Applied Physics Letters）。科研人员采用片上集成的电感实现了不同SNSPD像元单光子响应脉冲波形的整形，在几乎不牺牲灵敏度和信噪比的同时，获得了空间位置的信息，实现了近像素级并行读出功能。
SPAD阵列可采用成熟的CMOS技术研发与之配套的读出集成电路（ROIC），以实现SPAD像元雪崩信号的提取和处理。然而，SNSPD特定的超低温工作环境使得常规的ROIC不再适用，因此迫切需要研发适用于SNSPD阵列的并行读出技术。此前文献报道的SNSPD阵列主要有两类：一类是，通过多通道技术实现多像元并行读出。SNSPD读出采用同轴电缆将超导器件与室温读出电路互联，通过室温下的电路加载偏置电流和读出快速响应的脉冲信号。随着阵列数量的增加，连接室温和超低温的同轴线数量也随之增加，导致制冷机热负载、体积和成本大幅度增加。该方案可以获得跟单元器件接近的性能，但扩展性差，像元数量有限。另外一类是，通过信息复用实现空间位置分辨。阵列SNSPD读出借助信息复用来减小读出通道数和热负载。但常规的时间或者幅值复用方案很难分辨多个像元同时响应的情况，且通常会丢失部分信息，甚至有可能牺牲灵敏度和信噪比等性能指标。
如果能够实现像素级并行读出，单光子探测器阵列就可以保留每个像元响应信号的完整信息。目前，实现像素级读出的主要途径是在片上集成超导读出电路，实现逐像元的放大、编码与读出。但是，目前超低温读出电路还不成熟，并且受到制备工艺限制，不易实现大规模阵列读出。因此，尽管已有一些SNSPD阵列结果报道，但其像元数量、量子效率、探测速度等性能很难兼顾，距离实际应用仍有较大差距。
针对阵列SNSPD难题，南京大学张蜡宝教授课题组通过片上集成电感，对各像元的光子响应脉冲进行整形，实现各像元信号的原位编码，通过单通道电路即可读出多个像元信号。如图1(a)所示，所有像元串行连接并通过单根同轴线进行偏置和读出，每个像元包括串联的纳米线，电感线以及并联的电阻。通过修改电感线的长度可以改变各像元整体的动态电感。各像元电感线长度的比例设置服从等差分布，脉冲的恢复时间与电感线的长度成正比，如图1(b)。这里，设定阈值对脉冲宽度进行检测即可分辨出响应的像元位置如图1(d)。
图1 脉冲整形SNSPD阵列的示意图与单像元响应信号
除了单个像元响应信号的读出，该方案还适用于多个像元同时响应的情况，如图2。科研人员展示了两个像元、三个像元以及四个像元同时响应时的脉冲形状以及脉冲宽度分布直方图。串联电感的引入除了可以改变脉冲宽度，还会影响各个像元的交流阻抗，导致不同像元响应脉冲的幅值不同，脉冲幅值和宽度的改变会导致脉冲面积的差异，对脉冲波形进行积分获取脉冲面积的同时可以抵消一部分高斯噪声的干扰。因此可以将所有像元的开/关状态编码为单个输出脉冲的宽度、幅值和面积，仅需单个通道即可实现各像元的并行高效读出。
图2 多像元同时响应的脉冲信号及脉宽分布直方图
该方案还进一步应用到16像素SNSPD阵列（图3），并验证了大光敏面积、高填充因子、饱和量子效率、低暗计数率等优点。这在常规的多路复用阵列SNSPD中是很难同时达到的。得益于该方案提供了更多自由度，例如脉冲幅度、脉冲宽度和脉冲面积等，且基本保持原有的高信噪比特征，因此可以有效地提高各像元的可分辨性。该方案具有简单的单通道读出要求和优异的单光子探测性能，结合其它多通道技术和复用技术等，有可能实现更大规模的高性能SNSPD阵列。
图3 16像素脉冲整形SNSPD阵列的响应信号及3个像元分辨参量的散点图：脉冲幅度、脉冲宽度和脉冲面积。
该论文第一作者是南京大学管焰秋博士，通讯作者是南京大学张蜡宝教授。
论文链接：
https://doi.org/10.1063/5.0159725
