SNSPD二十年:回顾与展望

21世纪初,GOL’TSMAN等人开启了超导纳米线单光子探测器(SNSPD)这一研究领域。历经整整20年的发展,SNSPD已经成为综合性能优异的单光子探测器,被广泛用于量子与经典的弱光探测。本文从性能指标、器件物理、薄膜材料、器件结构、加工工艺、光学耦合、信号读出、制冷系统、应用演示等9个方面,回顾了过去20年里SNSPD的重要研究进展;在此基础上,展望和评述了未来可能的研究与发展方向。     

基于SNSPD与SPAD探测器的激光测距系统的比较研究

通过实验比较研究了基于SNSPD与SPAD探测器的激光测距系统.实验中,当接收回波端衰减120 d B时,天空光背景可忽略,基于SPAD的激光测距系统探测概率低于0.2%,而基于SNSPD的激光测距系统探测概率达35%;当激光发射频率低于1 k Hz,基于SNSPD的激光测距系统探测概率比SPAD高60%以上.研究表明:在探测弱信号回波光子时,SNSPD的探测性能远远优于SPAD,其原因是SNSPD具有较低的暗计数和高探测概率.与此同时,在接收端无衰减情况下,天空光背景会带来暗计数,影响测距系统信噪比.通过仿真分析表明,当背景亮度L0高于30 W/(m~2·sr)时,该基于SNSPD的激光测距系统的信噪比低于6,可能影响测距系统稳定探测.     

超导纳米线单光子探测现状与展望

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,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。文中概述了过去几年间国内外在SNSPD研发、应用成果及产业化等方面的进展,并对SNSPD未来的技术发展和应用进行了展望。     

面向SNSPD系统的可拓展时间抖动测量模块

针对超导纳米线单光子探测器(SNSPD)应用需求的多样化,设计了一款面向SNSPD的可拓展时间抖动测量模块。基于对SNSPD系统时间抖动测量原理的分析,设计了数字化单元、时间数字转换(TDC)单元和现场可编程门阵列(FPGA)单元,实现对SNSPD输出信号的数字化、时间信息测量以及数据读取。对该模块TDC单元的分辨率、线性度和时间精度分别标定,测试结果表明TDC单元的分辨率好于55ps,测量数据呈线性,100ns以内时间精度低于36ps。通过结合实用化SNSPD系统,实现了100ps左右的时间抖动表征,并与商用时间相关单光子计数(TCSPC)模块进行对比,验证了该模块对于SNSPD系统时间抖动测量的可行性。     

具有3～5μm宽带光吸收特性的超导纳米线单光子探测器设计

与成熟的近红外波段设计相比,3～5μm波长范围内较低的光子能量对于超导纳米线单光子探测器(SNSPD)宽带光吸收特性设计提出了更高的要求。为此,提出了一种中红外波段SNSPD宽带光吸收特性设计方法。以加载SiO₂/Au反射腔的超窄纳米线结构SNSPD为例,在通过优化上下腔3层介质层厚度实现2个目标波长处阻抗匹配的基础上,引入介质层总厚度与谐振波长之比作为评价每个谐振波长处带宽特性的指标,更好地取得了阻抗匹配精度与带宽特性之间的平衡,从而达到了双宽带耦合谐振以拓展总体吸收带宽的目的。数值结果表明,所提SNSPD在2928～4856 nm波长范围内对电场分量平行于纳米线的入射光能够吸收至少50%。     

超导纳米线单光子探测器偏置电源系统设计

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)是一种新型的单光子探测器,相对于传统的半导体单光子探测器件,具有高计数率、低暗计数等明显优势,然而SNSPD需要在接近临界状态的偏置条件下和多个模块配合才能触发热点效应。本文设计了一种Nb N材料的超导纳米线单光子探测实验系统用的偏置电源系统,辅助功能是温度控制和信号调理。实验表明,4个通道可以独立稳定输出精确度为0.1μA且0~99.9μA区间可调的恒流偏置,温度测量的精确度为0.05 K,热点效应产生的脉冲信号被调理后成功地被分析仪器检测到,满足单光子探测的要求。     

超导单光子探测器用1~2 K制冷机热力学优化

对工作在1~2 K的超导纳米线单光子探测器(SNSPD)用多级脉冲管预冷焦耳－汤普逊(JT)的复合制冷机制冷性能进行了系统的热力学优化研究。阐述了该复合制冷机的结构设计和工作机理;基于热力循环分析提出了焓流模型,同时建立了适用于3 K以下温区的实际流体质量流量模型,并将二者结合,分析复合制冷机的性能;探讨了理想情况下净制冷量随末级预冷温度和上游压力的变化特性,应用所提出的模型通过离散参数拟合方法对二者进行优化。发现对于He-4和He-3工质,多级脉冲管末级最优预冷温度分别为11 K和8 K;以He-4为工质,该复合制冷机能在2.2 K的温度下提供85 mW以上的制冷量;以He-3为工质,能在1.0 K提供18.5 mW的制冷量,该性能能够满足SNSPD的实际应用需求。     

单光子探测器研究现状与发展

单光子探测器的研制是量子光学和量子信息领域的一个重要研究课题。单光子探测器突破了传统探测器只针对振幅进行采样的局限,同时对光波或者光子的偏振、波矢、位相等特性进行探测,具有可保持测量信号完整性、理论量子效率高、工作电压低、探测灵敏度高等优点,同时具有室温单光子探测的潜力。为了深入了解单光子探测器的研究现状和发展前景,本文介绍了单光子探测器的工作机理,总结对比了光电倍增管、雪崩光电二极管等传统单光子探测器以及基于新型二维材料的雪崩光电二极管、超导纳米线单光子探测器等新型单光子光电探测器的优势与不足,并对其发展前景进行了展望。此外还介绍了单光子探测器在量子通信、激光测距和成像等领域的应用。     

量子点红外光子探测器的研究进展

迄今为止关于量子点红外光子探测器（QDIP）的研究已有众多文献发表,涉及量子点生长、系统设训、建模、表征与测量等各方面,对近年来国外文献报道的QDIP技术的进展进行了总结和综述,简要描述了QDIP研发的方法和思路,给出了近期国外研制的一些QDIP的性能,介绍了今后实现高性能QDIP的若干发展方向,尽管QDIP已成功地用于单元探测器和焦平面器件,但作为一种新兴技术,QDIP仍不成熟,短期内直接替代HgCdTe似乎还不可能．     

短波红外单光子探测器的发展(特邀)

InP/InGaAs短波红外单光子探测器(SPAD)是目前制备技术较为成熟且获得广泛应用的单光子探测器,通过半导体热电制冷(TEC)即可达到的工作温度(-40℃左右),具有体积小、成本低,方便安装和携带的应用优势;另外,基于常规半导体二极管的芯片制造工艺很容易实现大面阵单光子阵列,除了探测信号,还具备三维数字成像功能。国外包括美国、瑞士、意大利、韩国、日本等对InP/InGaAs SPAD进行了长期持续的研究,目前已研制出单管的货架产品,性能还在不断的优化和改进之中,其单光子探测器阵列呈现了清晰的三维成像效果,正在逐步应用。国内包括重庆光电技术研究所、中国科学院上海技术物理所、西南技术物理研究所、中国科学技术大学、云南大学等对InP/InGaAs SPAD芯片先后进行了器件设计和器件制备研究,目前单管的性能已经达到与国外报道相当的性能。国内单光子探测器阵列的研究获得了一定的进展,但芯片规模和器件性能有待提升。文中对国内外InP/InGaAs短波红外单光子探测器的发展,在设计和研制中存在的问题,以及近10年来的优化改进进行了介绍,重点介绍了高温、高速以及单光子焦平面阵列的发展,并结合新颖...     

量子计算与超导量子计算机

量子计算是一种基于量子力学相干叠加原理的新型计算体系,具有超越传统计算体系的优越性能。超导量子计算因为其在规模可扩展性方面的潜力而得到广泛的重视。超导约瑟夫森结是超导量子计算机方案中的关键器件,可用来控制超导体中的宏观波函数。阐述了量子计算的发展和优势,介绍了约瑟夫森结的原理以及三种超导量子比特的特性,并分析了面临的挑战。     

高Tc超导红外探测器的发展

较全面地阐述了国内外高T_C(>77K)超导红外探测器的发展水平,它包括红外探测机理,探测器的结构和工艺以及今后的发展趋势,特别评估了高温超导红外焦平面的潜在应用价值。     

氧化物高温超导薄膜制备技术的进展

本文较系统地介绍了高温超导薄膜的制备方法与生长机理,讨论了生长工艺与薄膜超导性能之间的关系,并对高温超导薄膜的异质外延、多层膜结构及超晶格制备等一些最新进展作了介绍。     

Fabrication of HTS dc Bias Coil for 35kV/90MVA SFCL

For a saturated iron core fault current limiter, superconductor is the only suitable material to make the dc bias coil, especially when the device is used in a high voltage power grid. Commonly, superconducting wires are used to wind the dc bias coil. Since the performance of the wires changes greatly under magnetic fields, the calculation of the field spatial distraction is essential to the optimization of the superconducting magnet. A superconducting coil with 141000 ampere-turns magnetizing capacity made of 17600 meters of BSCCO 2223 HTS tapes was fabricated. This coil was built for a 35kV/90MVA saturated iron-core fault current limiter. Computer simulations on magnetic field distribution were carried out to optimize the structural design, and experiments were done to verify the performance of the coil. The configuration and the key parameters of the coil will be reported in this paper.     

用约瑟夫森结量子比特制备簇态

高度纠缠的簇态是一种常见的测量基的量子计算的资源。这里提出了基于约瑟夫森比特的簇态实现方案。方案简单且易于操作,每个量子比特是通过包括一个超导岛和一个库伯对盒来实现的,任意两个约瑟夫森结量子比特可以通过一个对称的直流射频超导干涉仪相互耦合。通过调节每个实现量子比特的的门电压,来设定合适的初态,通过调节系统内相应的参量从而实现一个一个环路的耦合作用,以实现簇态。经过文章理论推导,方案简便易操作。在现在的技术条件下,方案完全可行。     

量子线红外光子探测器的研究进展

基于半导体量子线子能带间跃迁的量子线红外光子探测器（QRIP）由于其独特的电子性质,具有工作温度较高、信噪比较高、暗电流较低、光谱范围较宽以及垂直入射光响应等特点．对于新型红外探测器的研发而言,QRIP是颇具潜力的候选者之一．通过对近年来部分相关文献的分析介绍,总结和评述了QRIP制备工艺、物理性质、仿真方法等方面的研究进展．     

Magnetic and photomagnetic properties of polycrystalline wide-gap semiconductor Cd1-xMnxTe thin films

The magnetic and photomagnetic properties of polycrystalline Cd_1-xMn_xTe thin films prepared by radio frequency (rf) sputtering have been investigated. Magnetization measurements were carried out using a rf superconducting quantum interference device magnetometer in the temperature range of 1.8∼300K at various magnetic fields up to 5.5 T. For temperatures above 40K, Curie-Weiss behavior was observed with a negative Weiss constant indicating predominantly antiferromagnetic interactions. Spin-glass transitions occurred at low temperatures. Photoinduced magnetization has been observed when the sample was illuminated by unpolarized light from an optical fiber.