上海微系統(tǒng)所成功研制移動(dòng)式高效率超導(dǎo)單光子探測(cè)系統(tǒng)

近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所李浩、尤立星團(tuán)隊(duì)和賦同量子科技（浙江）有限公司合作，成功研制了基于小型液氦杜瓦（工作溫度4.2K）、在1550nm波段系統(tǒng)探測(cè)效率超過70%的移動(dòng)式超導(dǎo)單光子探測(cè)系統(tǒng)，為未來開展基于移動(dòng)平臺(tái)（機(jī)載、車載等）的高性能單光子探應(yīng)用鋪平了道路。相關(guān)研究成果以《在1550nm波段探測(cè)效率超過70%的移動(dòng)式超導(dǎo)條帶光子探測(cè)系統(tǒng)（Mobile superconducting strip photon detection system with efficiency over 70% at a 1550 nm wavelength）》為題，發(fā)表在Optics Express上。

超導(dǎo)條帶光子探測(cè)器（SSPD：Superconducting strip photon detector）作為高性能的單光子探測(cè)器，廣泛地應(yīng)用于量子信息和弱光探測(cè)等領(lǐng)域，有力地推動(dòng)了相關(guān)領(lǐng)域的科技進(jìn)步。然而SSPD的綜合探測(cè)性能顯著地依賴于器件的工作溫度，溫度越低，系統(tǒng)探測(cè)效率越高。迄今為止，高效率的SSPD系統(tǒng)通常需要使用GM制冷機(jī)(T≤2.5 K)、吸附式制冷機(jī)(T≤0.85 K)甚至更低溫度的制冷機(jī)，這些系統(tǒng)的質(zhì)量、體積、功耗等成為了限制SSPD在機(jī)載等移動(dòng)平臺(tái)應(yīng)用的關(guān)鍵原因。如果能在4.2K工作溫度實(shí)現(xiàn)高效率SSPD，便可以利用小型液氦杜瓦構(gòu)建小型、低功耗、短時(shí)工作的超導(dǎo)單光子探測(cè)系統(tǒng)，為無人機(jī)、航空等移動(dòng)平臺(tái)應(yīng)用提供可行的解決方案。

SSPD的光響應(yīng)性能與超導(dǎo)薄膜材料的無序度密切相關(guān)，利用高無序超導(dǎo)薄膜材料調(diào)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)面電阻更高的超導(dǎo)薄膜材料，增強(qiáng)SSPD的探測(cè)靈敏度是提升SSPD工作溫度的方法之一。在本項(xiàng)目中，研究人員利用了面電阻超過600Ω的NbTiN超導(dǎo)薄膜材料實(shí)現(xiàn)了4.2K工作溫度近飽和探測(cè)效率的SSPD。同時(shí)研發(fā)制造了SSPD專用的小型液氦杜瓦，結(jié)合基于電池的低功耗電路模塊，實(shí)現(xiàn)了探測(cè)效率超過70%的移動(dòng)式單光子探測(cè)系統(tǒng)。

圖：（左）液氦杜瓦的系統(tǒng)圖；（右）移動(dòng)式SSPD系統(tǒng)探測(cè)效率和暗計(jì)數(shù)性能曲線

論文第一作者為上海微系統(tǒng)所副研究員張孝富，第二作者為上海微系統(tǒng)所博士研究生馬若巖。通訊作者為上海微系統(tǒng)所張孝富、尤立星。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、上海市揚(yáng)帆計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1364/OE.501552