超导纳米线单光子探测现状与展望

尤立星，超导电子学+微电子与固体电子学领域 科研人员

原文见：红外与激光工程 47(12): 1202001 (2018)

尤立星

（中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室，上海 200050）

（中国科学院超导电子学卓越创新中心，上海200050）

（浙江赋同科技有限公司，浙江 嘉善 314000）

摘要：超导纳米线单光子探测器（SNSPD）是一种量子极限灵敏度的光探测器。它的基本原理是利用光子能量实现超导纳米线库珀对的拆对，从而在超导纳米线局域发生超导-非超导相变。和传统半导体单光子探测器相比，它具有探测效率高、暗计数低、时间抖动小、死时间短、宽谱响应以及自由运行等优势。高性能SNSPD已经在量子信息、激光通信、激光雷达等领域得到了广泛应用。本文将概述过去几年间国内外在SNSPD研发、应用成果及产业化等方面进展，并对SNSPD未来的技术发展和应用进行展望。

关键词：单光子探测；超导纳米线单光子探测；量子信息；量子通信

Abstract: Superconducting nanowire single photon detector (SNSPD) is an optical detector with quantum-limit sensitivity. The detection mechanism is based on the Cooper-pair breaking by the photon energy, which results in a phase transition from superconducting state to non-superconducting state. SNSPDs surpass the semiconducting counterparts with high detection efficiency, low dark count rate, small timing jitter, short dead time, broad spectrum sensitivity as well as free-running etc. SNSPDs with high performance have been applied in various fields, such as, quantum information, laser communication, light detection and ranging. This review will summarize the progress of SNSPD research and development, application as well as commercialization. The author also provides an outlook of SNSPDs’ R&D as well as applications.

Key Words: single photon detection; superconducting nanowire single photon detection; quantum information; quantum communication

0 引言

超导是在特定温度下呈现零电阻的一类特殊材料，超导电子学是利用超导材料开展电子学相关研究的一个专门学科。利用超导材料制备的传感器、探测器及电路通常具备高灵敏度、低噪声、高速度等优势，使得其在很多很多领域可以发挥不可替代的优势。

超导纳米线单光子探测器（SNSPD: Superconducting Nanowire Single Photon Detector）[2]是2001年俄罗斯人Goltsman发明的一种新型的单光子探测器。该探测器的典型结构是超薄低温超导材料（比如NbN）制备的纳米线。工作时，给纳米线一个偏置电流，其大小非常接近、但是略小于纳米线的超导临界电流。当一个光子被超导纳米线吸收后，由于光子的能量（典型可见/近红外波段光子能量约1 eV）比超导材料的超导能隙（NbN薄膜材料约3 meV）大2-3个数量级，一个光子就可以拆散数百个库伯对，从而在纳米线上形成一个非超导的热点区域。该热点区域的出现会导致纳米线上的局域电流密度超过其可以承载的临界电流密度，从而出现一个横跨整个纳米线的有阻区。该有阻区的能量会通过电-声子作用弛豫到衬底中，从而恢复初始的超导态。这个超导态-有阻态-超导态的动态过程在电路上体现为在纳米线两端产生一个电压脉冲，其典型幅值约1mV。通过对这个电压脉冲的甄别就可以实现单光子探测。因此，SNSPD是一个典型的具有量子极限灵敏度的超导探测器[3]。

经过十几年的发展，SNSPD的主要性能指标（探测效率、暗计数、时间抖动、计数率/死时间等）都得到了大幅提升。高性能的SNSPD器件已经在量子密钥分发、光量子计算、激光通信、激光雷达等众多领域得到了大量应用验证。相关应用需求也催生了SNSPD的产业化，全球范围内已有六家小型高科技公司开展相关的SNSPD的商业化运作。国际电工委员会（IEC）和中国超导国家标准化委员会正在启动SNSPD的标准化工作。

国内外SNSPD的研发还在持续推进，相信随着性能的进一步提升及商业化的推进，SNSPD的应用领域会进一步拓展。本文将结合中科院上海微系统所/中国科学院超导电子学卓越创新中心的工作，介绍过去几年SNSPD领域的主要发展动态，包括器件与系统研发、应用及产业化工作。同时，我们对该领域未来的发展提出个人的观点和展望。

1 SNSPD 研究进展

SNSPD的性能的快速提升得益于对SNSPD探测机理理解的不断深入，此外光学、电子学及低温等先进配套技术的采用也充分保障了SNSPD性能的发挥。本节将围绕SNSPD的不同性能指标和技术进展进行分别介绍。

探测效率：SNSPD的探测效率由光耦合效率、光学吸收效率和本征探测效率三个因素共同决定。同时优化上述三个因素，可以实现探测效率的最大化。最近几年，通过发展各种不同高吸收效率的光学结构，比如介质镜面结构、双层腔体结构等，使得SNSPD的光学吸收效率接近100%。2013年，美国国家标准与技术研究所利用WSi材料首次实现1550nm波长SNSPD探测效率达到93%[1]；2017年，上海微系统所首次利用NbN材料实现1550nm波长SNSPD探测效率超过90%[2]。上述结果仍保持目前WSi和NbN两类主流材料SNSPD探测效率的最高纪录。需要指出的是，上述数值均为系统探测效率，任何系统层面光路的损失都会已经计入实测系统探测效率。比如光纤接头0.1dB的损耗会造成系统效率降低2.3%。理论上系统探测效率仍可以进一步提升，甚至达到或接近100%。这需要在器件和系统层面近乎极致的优化工作。

暗计数：SNSPD的暗计数主要包括两部分：一部分是探测器自身的本征暗计数；另外一部分是背景暗计数，来源于SNSPD系统的黑体辐射和外界的杂散光。本征暗计数通常随着偏置电流呈指数线性上升关系，只在偏置电流非常接近于临界电流时才非常明显。尽管原理还不是完全清晰，但是一般认为和特定温度下的超导材料的涡旋行为有关。背景暗计数主要和系统中被SNSPD探测到的环境热辐射光子有关。对于一个光纤耦合的无外界信号光和杂散光进入的SNSPD系统，其背景暗计数主要由和SNSPD相连的光纤热辐射所贡献。因此，背景暗计数率和探测效率呈正比。在实际应用中，我们适当降低偏置电流，这时本征暗计数的贡献就可以忽略，起主要贡献的就是背景暗计数。由于热辐射呈宽谱特性，我们可以通过低温滤波的方法，在保证信号光子被SNSPD吸收的同时，滤除绝大多数背景暗计数，从而大幅提高SNSPD器件的信噪比。在滤波前，典型SNSPD的暗计数可以控制在10-100Hz；光学滤波后，暗计数可以减小到1Hz以下[3-5]。

死时间/速度：死时间反映了SNSPD在时域上响应光子的能力。从电学角度，SNSPD的光子响应对应SNSPD上的电流快速减小到一定值，然后逐渐恢复的过程。这个时间的理论极限是SNSPD器件的热弛豫时间；实际器件死时间主要由器件的动态电感所决定。由于器件为纳米线结构，随着光敏面的增大，器件纳米线线长增加，其动态电感为几十到几百纳亨甚至更大。典型器件的死时间在几个纳秒到几十个纳秒不等；器件的计数率为几兆到几十兆不等。通过优化器件的动态电感和读出电路，可以实现器件速度的进一步提升。

时间抖动：单光子响应电脉冲信号在时域上的不确定性体现为时间抖动。一方面，时间抖动和待测SNSPD器件时间抖动有关，也和测试系统各个部分时间抖动有关。测量到的时间的抖动体现为所有部件的时间抖动的均方根。从器件角度，时间抖动与被探测信号的信噪比有关，信噪比越大，时间抖动越小。一个实用化的SNSPD器件，其最优信噪比可以做到20ps以下[6]。实验研究表明，时间抖动还和光子在SNSPD纳米线不同位置被吸收所引起的电信号传输延时不同有关。已有实验测量到短纳米线的时间抖动可以达到3 ps[7]。

宽谱响应：基于光子触发库珀对的拆对机制，通过不同超导材料的选择以及结构和几何参数的优化，SNSPD可具有很宽的光谱响应范围，实现宽谱单光子探测。它能够探测从X-ray到中远红外的光子，并且具有极高的时间精度和信噪比[8-11]。目前已开始有相关工作报道，这有望让SNSPD的应用走向更广阔的科学及应用领域，这也是SNSPD优于其他类型单光子探测器的显著特征。

除了上述主要的指标以外，SNSPD在阵列读出技术、光子数分辨能力、片上波导耦合器件等方面在过去几年内都有很大的进展。相信其性能还有很大的提升空间。

2 SNSPD 应用

高性能SNSPD的出现使得很多创新性实验成为可能，有力推动了量子信息、空间通信、激光雷达、光谱检测、光纤传感等领域的实验科学发展。相关应用验证的实验成果很多，无法一一列举。下面将就几个关键的应用做简单介绍。

量子信息：量子信息技术是过去二十年最重要的学术前沿领域之一，它也是SNSPD技术快速发展的最重要的需求牵引。从2005年美国NIST首次将SNSPD应用到量子通信以来，SNSPD已经成为光纤量子通信试验技术快速发展的主推手之一。中科大潘建伟院士团队利用上海微系统所研发的高性能SNSPD器件在过去几年内创造了多项光纤量子密钥分发的世界纪录，目前仍保持404公里光纤量子密钥分发最远距离的世界纪录[12-14]；该团队还利用高效率SNSPD器件实现了量子隐形传态、大贝尔实验、量子随机数发生器、量子指纹等系列量子信息领域重要试验进展[15-18]。此外，高性能SNSPD器件还成功应用到泊松采样等光量子计算/模拟实验[19，20]。高性能SNSPD为我国在量子信息领域的国际领先地位提供了核心的探测器技术支持[21]。

深空激光通信：空间科学对空间通信技术的要求越来越高，特别是火星探测等未来空间科学计划对空间通信速度提出更高的要求，传统的微波通信已无法满足其要求。光通信而被认为是未来深空通信的首选技术。和微波通信相比，光通信具有体积小、功耗低、带宽大（高速）等优势。然而，空间光通信对探测器的性能提出了极高的要求。2013年美国NASA首次实现了绕月轨道卫星和地球之间的直接光通信（LLCD项目）。利用在地面基站的高速SNSPD阵列，实现了卫星对地622Mbps的直接激光通信，被誉为空间光通信的里程碑。目前美国正在开展下一代技术研制项目（TDM），计划在2021年利用新一代SNSPD阵列实现火星到地球（2.6个天文单位）的45kbps的激光通信[22，23]。

激光雷达：激光雷达（LIDAR: Light detection and ranging）是基于光子飞行时间(TOF: Time of flight)的一种距离测量技术。依赖该技术可以实现卫星和空间碎片轨道监测、大气和风速检测等应用。其探测精度和探测系统的时间抖动有关。和传统半导体单光子探测器相比，SNSPD在激光雷达应用方面也体现出了明显的优势。上海微系统所、南京大学及中科大等在该领域都做出了国际领先的成果。比如在532nm波长的3000公里的卫星激光测距[24]、1064nm波长20000公里卫星测距[25]、海雾测量[26]以及风速测量[27]等。

3 SNSPD 研发与产业化

SNSPD的独特性能和应用潜力受到了国内外研究学者的广泛关注。国外的主要研究机构有美国的麻省理工学院MIT、国家标准与技术研究所NIST、喷气动力实验室JPL、日本的国立情报与通信研究机构NICT、俄罗斯的莫斯科师范大学、荷兰的Delft技术大学以及英国的Glasgow大学等。国内研究单位包括中科院上海微系统所、南京大学、天津大学和清华大学等。从研发水平上来看，中国在该领域的研究水平整体处于国际一流行列，器件性能和部分应用成果已达到国际领先水平。

高性能的SNSPD受到了量子信息等领域的极大关注，应用需求在快速增加。在此背景下，SNSPD的产业化也出现了很好的发展态势。目前全球已经出现6家以SNSPD为主打产品的小型高科技公司。包括Photon Spot（美）、Quantum Opus（美）、Scontel(俄)、Single Quantum（荷兰）、ID Quantique（瑞士）以及赋同科技（中国）。

赋同科技[28]是中国唯一一家开展SNSPD商业化运作的公司，已为中国科学技术大学、清华大学等用户逾15家用户提供20余台SNSPD系统，国内的市场占有率达到50%以上。特别值得一提的是，由于国内外在SNSPD领域的发展水平接近，6家公司的产品性能也都处于同一水平。从技术支持和售后服务的层面，赋同科技要远远强于其他国际同行。

4 SNSPD 发展展望

SNSPD仍处于蓬勃发展的阶段，随着科研人员的深入研究，SNSPD的性能潜力还会被进一步发掘。同时，随着产业化的推广，SNSPD的技术成熟度也会逐渐提升，其应用领域也有望进一步扩大。作为一个科研人员，我从科学与技术角度给出如下发展展望。

SNSPD的单项指标还会进一步提升，比如1550nm工作波长探测效率有望提升至95%以上。此外，其综合性能好的器件会成为新的研发目标，即高效率、低暗计数、高速度和低时间抖动等指标有望同时实现。随着SNSPD工艺的成熟，其产率会进一步提高，芯片的成本也会有很大的下降空间；此外，一些新功能器件也会陆续出现，比如宽谱器件、中红外长波、光子数分辨SNSPD器件等；集成SNSPD的片上量子信息系统也会是一个很有意义的研究方向。

激光通信等应用需求会带动SNSPD阵列技术的发展，未来有望实现基于SNSPD的图像传感器。美国和日本已经在该领域有不少工作开展。相信我国在空间激光通信需求牵引下，相关工作也会快速跟上国际步伐。

SNSPD低温和电子学配套技术会得到快速发展。包括地面和空间用小型制冷机、超导SFQ/半导体（阵列）电路技术、低温恒温器等等。而这些技术的发展对于SNSPD的产业化也至关重要。

2017-2018年，中国、美国、日本、欧盟以及英国政府都陆续公布了各自的量子科技研发战略。我国的量子国家实验室已在筹建中，量子国家重大专项有望很快依托于量子国家实验室进行实施。这为我国及全球的SNSPD技术发展带来了前所未有的重大发展机遇。相信SNSPD技术还会得到进一步的发展，带动超导电子学、低温电子学和低温光电子学等学科建立和发展，并推动量子信息科技的进步。

5 参考文献

[1] Marsili F，Verma V B，Stern J A，等. Detecting single infrared photons with 93% system efficiency[J]. Nature Photonics, 2013, 7(3): 210-214.