超导纳米线单光子探测器SNSPD性能浅析及应用介绍
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作者:topphotonics
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发布时间: 2022-01-20
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作为一种在红外波段非常具有吸引力的单光子探测“明星”技术，基于超导纳米线的单光子探测器（简称SNSPD）研究及应用在近年来呈现“井喷式”发展。这类探测器具有高探测效率、低暗计数和高时间分辨率等优点。
SNSPD的基本结构及工作原理如下：构成探测器核心单元为宽度几十个纳米，厚度几个纳米的NbTiN超导纳米线。探测器的接收面由这样一条超导纳米线蜿蜒排布构成。纳米线工作在远低于其超导临界温度的状态下，偏置电流略小于其临界电流。纳米线吸收一个待测光子，导致超导材料中数百个库伯对被拆散，形成一个热点。热点区域的存在导致纳米线的电阻从零突然增加到一个特定值，在纳米线两端产生一个可测量的输出电压脉冲。通过探测电压脉冲信号即可实现单光子探测。同时，采用多条纳米线并联或者交叉排布的方式，每条纳米线配置独立的偏置电路和读出电路，纳米线之间不会相互干扰。就可以实现光子计数或者光子数分辨能力。SNSPD主要的性能参数包括：系统探测效率，时间抖动、死时间、暗计数、计数率等，系统探测效率探测器对于单光子信号探测的效率。时间抖动是指从光子到达探测器的时刻到探测器产生响应脉冲上升沿的时间差的不确定性；死时间是指纳米线接收一个光子变为有阻态到恢复超导态的时间，这表征了探测器连续探测的能力；暗计数表征了探测的准确性，这与器件自身属性以及探测器的设计息息相关；计数率代表了探测速率，即单位时间可以探测的光子数量。通过纳米线器件材料的选择、结构的设计、配套电路的优化实现最优的性能参数，这也直接决定了SNSPD的应用前景。随着SNSPD技术的不断成熟，以及其自身特有的优势，将逐步替代现有技术。其主要应用场景如下：量子密钥分发又称量子密码学，是指通信双方利用公共通信信道来生成加密密钥的方式。该系统中采用单光子位相或偏振来进行信息编码，系统需要具备非常高的单光子探测能力。探测器的暗计数性能直接关系到系统的误码率，低时间抖动确保了探测的精确性，非常适合发挥SNSPD的性能优势。量子计算机的实现无疑已成为21世纪物理学最大挑战之一，可扩展的光量子计算方案对单光子探测技术提出了更高的要求，需要探测器具备几近100%的探测效率和光子数分辨能力，随着SNSPD技术的不断完善，已经逐步应用于该领域。SNSPD具有单光子探测能力，同时具有低时间抖动、低暗计数等优势，工作波段覆盖通信波段，因此在光纤传感中也具有广泛应用。其典型应用之一就是单光子激光雷达，被广泛应用于大气遥感，进行气体检测。
