一種接近像素級讀出的超導(dǎo)納米線單光子探測器（SNSPD）陣列

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，南京大學(xué)張蠟寶教授課題組研制出一種接近像素級讀出的超導(dǎo)納米線單光子探測器（SNSPD）陣列，相關(guān)內(nèi)容以“Approaching pixel-level readout of SNSPD array by inductor-shaping pulse”為題，發(fā)表于《應(yīng)用物理快報(bào)》（Applied Physics Letters）?？蒲腥藛T采用片上集成的電感實(shí)現(xiàn)了不同SNSPD像元單光子響應(yīng)脈沖波形的整形，在幾乎不犧牲靈敏度和信噪比的同時(shí)，獲得了空間位置的信息，實(shí)現(xiàn)了近像素級并行讀出功能。

SPAD陣列可采用成熟的CMOS技術(shù)研發(fā)與之配套的讀出集成電路（ROIC），以實(shí)現(xiàn)SPAD像元雪崩信號(hào)的提取和處理。然而，SNSPD特定的超低溫工作環(huán)境使得常規(guī)的ROIC不再適用，因此迫切需要研發(fā)適用于SNSPD陣列的并行讀出技術(shù)。此前文獻(xiàn)報(bào)道的SNSPD陣列主要有兩類：一類是，通過多通道技術(shù)實(shí)現(xiàn)多像元并行讀出。SNSPD讀出采用同軸電纜將超導(dǎo)器件與室溫讀出電路互聯(lián)，通過室溫下的電路加載偏置電流和讀出快速響應(yīng)的脈沖信號(hào)。隨著陣列數(shù)量的增加，連接室溫和超低溫的同軸線數(shù)量也隨之增加，導(dǎo)致制冷機(jī)熱負(fù)載、體積和成本大幅度增加。該方案可以獲得跟單元器件接近的性能，但擴(kuò)展性差，像元數(shù)量有限。另外一類是，通過信息復(fù)用實(shí)現(xiàn)空間位置分辨。陣列SNSPD讀出借助信息復(fù)用來減小讀出通道數(shù)和熱負(fù)載。但常規(guī)的時(shí)間或者幅值復(fù)用方案很難分辨多個(gè)像元同時(shí)響應(yīng)的情況，且通常會(huì)丟失部分信息，甚至有可能犧牲靈敏度和信噪比等性能指標(biāo)。

如果能夠?qū)崿F(xiàn)像素級并行讀出，單光子探測器陣列就可以保留每個(gè)像元響應(yīng)信號(hào)的完整信息。目前，實(shí)現(xiàn)像素級讀出的主要途徑是在片上集成超導(dǎo)讀出電路，實(shí)現(xiàn)逐像元的放大、編碼與讀出。但是，目前超低溫讀出電路還不成熟，并且受到制備工藝限制，不易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模陣列讀出。因此，盡管已有一些SNSPD陣列結(jié)果報(bào)道，但其像元數(shù)量、量子效率、探測速度等性能很難兼顧，距離實(shí)際應(yīng)用仍有較大差距。

針對陣列SNSPD難題，南京大學(xué)張蠟寶教授課題組通過片上集成電感，對各像元的光子響應(yīng)脈沖進(jìn)行整形，實(shí)現(xiàn)各像元信號(hào)的原位編碼，通過單通道電路即可讀出多個(gè)像元信號(hào)。如圖1(a)所示，所有像元串行連接并通過單根同軸線進(jìn)行偏置和讀出，每個(gè)像元包括串聯(lián)的納米線，電感線以及并聯(lián)的電阻。通過修改電感線的長度可以改變各像元整體的動(dòng)態(tài)電感。各像元電感線長度的比例設(shè)置服從等差分布，脈沖的恢復(fù)時(shí)間與電感線的長度成正比，如圖1(b)。這里，設(shè)定閾值對脈沖寬度進(jìn)行檢測即可分辨出響應(yīng)的像元位置如圖1(d)。

圖1 脈沖整形SNSPD陣列的示意圖與單像元響應(yīng)信號(hào)

除了單個(gè)像元響應(yīng)信號(hào)的讀出，該方案還適用于多個(gè)像元同時(shí)響應(yīng)的情況，如圖2。科研人員展示了兩個(gè)像元、三個(gè)像元以及四個(gè)像元同時(shí)響應(yīng)時(shí)的脈沖形狀以及脈沖寬度分布直方圖。串聯(lián)電感的引入除了可以改變脈沖寬度，還會(huì)影響各個(gè)像元的交流阻抗，導(dǎo)致不同像元響應(yīng)脈沖的幅值不同，脈沖幅值和寬度的改變會(huì)導(dǎo)致脈沖面積的差異，對脈沖波形進(jìn)行積分獲取脈沖面積的同時(shí)可以抵消一部分高斯噪聲的干擾。因此可以將所有像元的開/關(guān)狀態(tài)編碼為單個(gè)輸出脈沖的寬度、幅值和面積，僅需單個(gè)通道即可實(shí)現(xiàn)各像元的并行高效讀出。

圖2 多像元同時(shí)響應(yīng)的脈沖信號(hào)及脈寬分布直方圖

該方案還進(jìn)一步應(yīng)用到16像素SNSPD陣列（圖3），并驗(yàn)證了大光敏面積、高填充因子、飽和量子效率、低暗計(jì)數(shù)率等優(yōu)點(diǎn)。這在常規(guī)的多路復(fù)用陣列SNSPD中是很難同時(shí)達(dá)到的。得益于該方案提供了更多自由度，例如脈沖幅度、脈沖寬度和脈沖面積等，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。該方案具有簡單的單通道讀出要求和優(yōu)異的單光子探測性能，結(jié)合其它多通道技術(shù)和復(fù)用技術(shù)等，有可能實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的高性能SNSPD陣列。

圖3 16像素脈沖整形SNSPD陣列的響應(yīng)信號(hào)及3個(gè)像元分辨參量的散點(diǎn)圖：脈沖幅度、脈沖寬度和脈沖面積。

審核編輯：劉清