微納光纖耦合超導納米線單光子探測器原理示意圖
超導納米線單光子探測器 (SNSPD: Superconducting nanowire single-photon detector) 作為一種高性能的單光子探測器, 已廣泛應用於量子資訊, 雷射雷達, 深空通信等領域, 有力推動了相關領域的科技發展.
SNSPD器件主要有兩種光耦合方式, 一種是垂直光耦合方式, 光纖端面平行於SNSPD光敏面, 光子垂直入射到納米線上, 採用光學腔體或反射鏡結構實現高效光耦合. 利用該類耦合結構, 中國科學院上海微系統與資訊技術研究所已實現NbN基SNSPD系統探測效率超過90%, 相關結果發表後受到國內外廣泛關注. 該光耦合結構的特點是, 可以實現高光耦合效率, 但受限於光耦合結構, 工作波長範圍受限. 另一種光耦合方式是波導光耦合方式, 將納米線製備在光波導上, 可實現高效的本徵吸收. 但光纖到波導的耦合效率較低, 使這類器件僅能作為片上光子學的解決方案, 無法作為獨立單光子探測器使用.
上海微系統所/中國科學院超導電子學卓越創新中心尤立星研究員團隊和浙江大學教授方偉, 童利民團隊合作, 首次提出微納光纖耦合的SNSPD器件結構. 該結構將SNSPD器件置於微納光纖的倏逝場內, 實現納米線對微納光纖中傳輸的光子吸收. 光學計算顯示, 該類結構有望實現高吸收效率的同時, 保持很好地寬譜特性. 經過上海微系統所巫博士君傑和浙江大學博士徐穎鑫等近3年實驗探索, 科研團隊研製出微納光纖耦合SNSPD器件. 在1550nm/1064nm工作波長, 系統探測效率分別達到20%/50%. 相關成果近日發表在Optics Express上, 該結果有望在新型SNSPD器件及微納光纖領域開闢新的研究方向.
研究工作得到了國家重點研發計劃項目 '高性能單光子探測技術' , 中科院戰略性先導科技專項 (B) '超導電子器件應用基礎研究' , 自然科學基金以及上海市科委等的資助.
