近日，中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的尤立星團(tuán)隊(duì)與歐欣團(tuán)隊(duì)合作，在超導(dǎo)單光子探測(cè)器技術(shù)領(lǐng)域取得新突破，不囿于傳統(tǒng)百納米尺度的超導(dǎo)線寬限制，在微米級(jí)線寬的超導(dǎo)微米線單光子探測(cè)器(SMSPD)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了在1550 nm波段超過(guò)90%的系統(tǒng)探測(cè)效率(SDE)，為大光敏面超導(dǎo)單光子探測(cè)器研發(fā)和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。該研究成果于2021年5月21日(北京時(shí)間)以《在1550 nm波段系統(tǒng)探測(cè)效率超過(guò)90%的超導(dǎo)微米線單光子探測(cè)器(Superconducting single-photon detector with system efficiency over 90% at 1550 nm)》為題，在線發(fā)表在1區(qū)期刊Photonics Research上，并入選當(dāng)期的編輯推薦(Editor’s Pick)。

超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器(SNSPD)在量子信息處理、深空激光通信、激光雷達(dá)(LIDAR)等領(lǐng)域扮演者關(guān)鍵角色。這些領(lǐng)域的飛速發(fā)展，對(duì)更快(探測(cè)速度)、更大(光敏面)、更強(qiáng)(高探測(cè)效率SDE、低時(shí)間抖動(dòng)等)的SNSPD提出迫切的應(yīng)用需求。通常，SNSPD是由一根寬度~100 nm的超導(dǎo)線條構(gòu)成。2017年，俄羅斯科學(xué)家提出理論預(yù)測(cè)，當(dāng)一個(gè)微米級(jí)的“臟”超導(dǎo)線偏置到接近拆對(duì)電流的狀態(tài)時(shí)，它有可能探測(cè)到單個(gè)紅外光子【Phys. Rev. Appl. 7, 034014 (2017)】。與具有相同光敏面積的SNSPD相比，超導(dǎo)微米線單光子探測(cè)器(SMSPD)具有更小的動(dòng)態(tài)電感，更高的工作電流和更低的加工精度要求等優(yōu)勢(shì)，為研發(fā)超大光敏面、低時(shí)間抖動(dòng)的探測(cè)器提供了可能。盡管?chē)?guó)際上多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)都在開(kāi)展相關(guān)實(shí)驗(yàn)工作，但是一直沒(méi)有成功研制高效率SMSPD器件報(bào)道。

中科院上海微系統(tǒng)所研究人員將離子輻照調(diào)控技術(shù)(相關(guān)論文W. –J Zhang et al., Phys. Rev. Appl. 12(4), 044040 (2019). 授權(quán)專利號(hào)CN107910400B)應(yīng)用于NbN材料的SMSPD中，采用1 μm線的雙螺旋結(jié)構(gòu)構(gòu)成了50 μm直徑的有效光敏面。結(jié)合優(yōu)化的光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)上首次成功展示了在1550 nm通信波段，單模光纖耦合情況下系統(tǒng)探測(cè)效率超過(guò)90%的SMSPD(92.2%@0.84 K)。同時(shí)SMSPD具有與SNSPD相當(dāng)?shù)陌涤?jì)數(shù)率(~200 cps)和時(shí)間抖動(dòng)(~48 ps)。由于高占空比的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(占空比~80%)，器件的偏振敏感性僅為1.03。此外，當(dāng)在2.1 K下閉式循環(huán)低溫制冷機(jī)工作時(shí)，探測(cè)器的SDE仍超過(guò)了70%。由于探測(cè)器具有50微米直徑的光敏面，它與多模光纖耦合時(shí)，該探測(cè)器的展示出超過(guò)60%最大SDE，時(shí)間抖動(dòng)~50 ps。這些性能指標(biāo)均遠(yuǎn)超目前其他同類(lèi)型的SMSPD。

該成果為高性能的SMSPD研制及其探測(cè)機(jī)制提供了一種創(chuàng)新思路;并展示了高效率SMSPD應(yīng)用于量子光學(xué)、弱光環(huán)境LIDAR等領(lǐng)域的可能性。該研究也獲得了審稿人的高度稱贊：“(This work) reported on a quite unique technique by pre-treating NbN films with helium ions to boost the SDE of superconducting microstrip SPDs to 92.2% at 0.84 K. This work is technically interesting and at the frontier of the research community.” “(This work) addresses an important topic of R&D of single-photon detector with almost unity detection efficiency at telecom wavelength. In particular, the manuscript presents a novel approach to the improvement of the performance of NbN superconducting detector with micron-wide strip. (This work) is expected to be of high interest to optical society.” “This work will no doubt benefit the SNSPD community.”