利用內(nèi)嵌2D光子晶體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)極低占空比超導(dǎo)納米線單光子探測器

近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所尤立星、李浩團(tuán)隊(duì)與武愛民團(tuán)隊(duì)合作，利用內(nèi)嵌2D光子晶體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了極低占空比超導(dǎo)納米線單光子探測器，在保證高吸收效率的同時(shí)成倍提高了探測速度。相關(guān)成果以“Ultralow-filling-factor superconducting nanowire single-photon detector utilizing a 2D photonic crystal”為題于11月24日在線發(fā)表在中科院一區(qū)學(xué)術(shù)期刊Photonics Research（Vol. 11, Issue 12, pp. 2128-2135 (2023)），并入選當(dāng)期的編輯推薦 (Editor’s Pick)。

超導(dǎo)納米線單光子探測器的快速發(fā)展使其在量子計(jì)算、深空通信、遙感和生物熒光成像等多個(gè)前沿領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。尤其是激光雷達(dá)和成像領(lǐng)域，要求探測器既要實(shí)現(xiàn)高探測速度，同時(shí)還能保持高系統(tǒng)探測效率，以獲得更高的信噪比和最大計(jì)數(shù)率。

對(duì)于給定的光敏面大小(典型直徑為15~23 μm)，通?？梢酝ㄟ^降低納米線的占空比減小器件的動(dòng)態(tài)電感和恢復(fù)時(shí)間，從而提高探測速度，但代價(jià)是納米線吸收效率的嚴(yán)重衰退，因此難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速且高效的探測。針對(duì)這種制衡關(guān)系，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)提出了一種光場局域化方法，通過在超窄(~80 nm)超薄(~6 nm)超導(dǎo)NbN線條下方集成2D光子晶體結(jié)構(gòu)，在目標(biāo)波長(1550 nm)實(shí)現(xiàn)了90%的吸收效率。在該設(shè)計(jì)中，納米線占空比縮小到至12%，為傳統(tǒng)介質(zhì)反射鏡結(jié)構(gòu)器件的1/3，飽和計(jì)數(shù)率達(dá)到了80 MHz，對(duì)應(yīng)恢復(fù)時(shí)間只有12 ns，實(shí)現(xiàn)了接近3倍探測速度的提升。

圖1 極低占空比SNSPD (a-b)結(jié)構(gòu)圖，(c-d)電場分布圖，(e)吸收、反射及透射譜，(f)探測效率及暗計(jì)數(shù)率曲線，(g)不同占空比脈沖恢復(fù)速度圖，(h)計(jì)數(shù)率曲線。

論文第一作者為上海微系統(tǒng)所博士后肖游，中北大學(xué)曹溪源副教授為共同一作。通訊作者為上海微系統(tǒng)所李浩研究員和武愛民研究員。該研究得到了國家自然科學(xué)基金（12033007、61827823、61971408），上海市揚(yáng)帆計(jì)劃（21YF1455700）以及中科院青促會(huì)（2020241）等項(xiàng)目的支持。

審核編輯：劉清