100%系統探測效率(SDE)是單光子探測器發展的最終目標

2020-11-30 電子發燒友

100%系統探測效率（SDE）是單光子探測器發展的最終目標

MEMS 發表於 2020-11-25 09:51:21

中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員尤立星團隊利用無損介質鏡面結合三明治結構超導納米線，實現了NbN材料超導納米線單光子器件（SNSPD）98%的探測效率，再次創造了NbN SNSPD探測效率的新的世界紀錄。

100%系統探測效率（SDE）是單光子探測器發展的最終目標，在量子基礎理論驗證和量子信息科技中具有應用價值。SNSPD憑藉高探測效率、低暗計數、低時間抖動等性能指標，在量子通信、量子計算、深空光通信、生物螢光成像等領域發揮重要作用，推動了量子信息技術和其他前沿科學的發展。對SNSPD來說，實現100%效率的關鍵難點在於，需同時實現接近100%的本徵探測效率和吸收效率。由於二者之間的糾纏制衡關係，相比於其他低Tc的超導材料（如WSi），高Tc的NbN材料SNSPD實現高SDE的難度更大。2017年，研究人員通過工藝優化，首次報導了基於小型閉合循環制冷機，2.1 K工作溫度下，NbN-SNSPD系統探測效率（1550 nm工作波長）可超過90%；2019年，研究人員發明了離子注入等手段，首次打破了NbN本徵探測效率和吸收效率的制衡關係，再次實現了90%探測效率SNSPD器件，為極限效率探測研究奠定基礎。

近期，經過系統分析，研究團隊提出了無損介質鏡面加三明治超導納米線的器件架構，再次打破了NbN SNSPD器件的本徵探測響應和光學吸收效率的制衡關係，實現了兩者的同時提升。在0.8 K工作溫度，1590 nm波長實現了98%的系統探測效率，在1530-1630 nm波長範圍內的系統效率超過95%。該類型的探測器還顯示出對多種參數的魯棒性，例如，在2.1 K溫度下，同一批次製造的45個探測器，SDE大於80%（90%）的產率達73%（36%），對批量生產及商業化應用具有實際意義。

圖1 （a）器件架構示意圖；（b）傳統單層納米線與本文中的三明治結構納米線；（c）器件光子響應和光學吸收的制衡關係

圖2 （a）器件效率隨偏置電流變化關係；（b）器件在不同波段下的探測效率和仿真結果

相關研究成果以Detecting single infrared photons toward optimal system detection efficiency（《最優效率紅外單光子探測》）為題，在線發表在Optics Express上，博士研究生胡鵬為論文第一作者，副研究員李浩和尤立星為論文的通訊作者。研究工作得到國家重點研發計劃項目「高性能單光子探測技術」、國家自然科學基金、上海市科委量子專項、上海市啟明星、上海市優秀學術帶頭人、中科院青年創新促進會等的支持。

責任編輯：lq

打開APP閱讀更多精彩內容

聲明：本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人，不代表電子發燒友網立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用，如有內容圖片侵權或者其他問題，請聯繫本站作侵刪。 侵權投訴

相關焦點

  • 中國單光子探測器探測效率超百分之九十
    量子調控的神助攻——　　我國單光子探測器探測效率超百分之九十　　侯樹文 本報記者 王 春　　把「命門」掌握在自己手中　　作為國際戰略新興技術，量子信息領域面臨著激烈的國際競爭，其核心元器件技術受到國際禁運的影響。高性能單光子探測器是量子調控中不可或缺的關鍵核心部件，也曾在國際禁運之列。
  • 我國單光子探測器探測效率超百分之九十
    高性能單光子探測器是量子調控中不可或缺的關鍵核心部件，也曾在國際禁運之列。    「光子是光的最小單元，一個10瓦的燈泡1秒鐘可以發出約1020個光子。」中國科學院上海微系統與信息技術研究所（以下簡稱上海微系統所）研究員尤立星博士向科技日報記者介紹，單光子探測技術就是探測一個光子的技術，代表光信號探測能力的極限。    單光子探測器對量子信息領域到底有多重要？
  • 上海微系統所超導單光子探測器效率研究獲進展
    中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員尤立星團隊利用無損介質鏡面結合三明治結構超導納米線，實現了NbN材料超導納米線單光子器件（SNSPD）98%的探測效率，再次創造了NbN SNSPD探測效率的新的世界紀錄。
  • 我國超導單光子雷射雷達系統實現對數百公裡外小目標跟蹤探測
    從中國電科十四所某試驗外場傳來消息，超導單光子雷射雷達系統，實現了對低空大氣層中數百公裡外目標的實時跟蹤探測，展現了超導單光子探測器的強大應用潛力。 由於光子是光的最小能量單元，具備單光子靈敏度的雷達系統可將雷射雷達系統的性能發揮到極致。在單光子雷射雷達系統的研究上，團隊與中國電子科技集團公司第十四研究所攜手合作多年。
  • 未來自動駕駛的「眼睛」——InGaAs單光子探測陣列
    雷射雷達中接收端的核心元件是光電探測器陣列，包括PIN器件、雪崩探測器件以及人眼安全波段的單光子雪崩探測器件等。InGaAs單光子雪崩探測陣列可工作於1550nm，具有人眼安全、長距離探測、快速響應和部件可靠等性能，有望滿足下一代雷射雷達的要求，助力高級別自動駕駛的發展。
  • 可對數百公裡外目標實時跟蹤，南京大學超導單光子探測器立新功
    這一階段的攻關成功實現了對數百公裡外移動和固定小目標的實時跟蹤探測。南京大學超導電子學研究所繼2017年將研製的大口徑超導陣列單光子探測器應用於空間碎片探測和2019年月地雷射測距等驕人成績後，近日超導陣列單光子探測器再立新功。
  • 我國科學家成功解決單光子探測系統安全隱患
    日前，中國科學技術大學潘建偉院士及其同事張強、陳騰雲與清華大學馬雄峰等組成的聯合研究小組，利用與美國史丹福大學聯合開發的高效低噪聲上轉換單光子探測器，在國際上首次實現了測量器件無關的量子密鑰分發，成功解決了現實環境中單光子探測系統易被黑客攻擊的安全隱患，大大提高了現實量子密鑰分發系統的安全性。
  • 中科院攜手企業推進超導單光子探測系統產業化
    近日，中科院上海微系統所與中船重工鵬力(南京)超低溫技術有限公司在南京籤署合作協議，雙方將正式合作研發超導單光子探測系統。 　　超導納米線單光子探測技術是近紅外波段綜合性能最好的單光子探測技術，在量子通信、深空通信、雷射雷達、光纖傳感以及生物螢光光譜等領域具有重要的應用前景。
  • 徐飛虎團隊單光子成像雷達研製成功，可透過霧霾看清遠距離目標
    令人欣喜的是，這個世界性難題被中國一位85後科學家攻破，中國科技大學徐飛虎團隊研製成功了單光子成像雷達，已經實現了45公裡的遠距離成像，並且具備了100公裡遠的成像能力。這種雷達最厲害的是可以透過霧霾看清目標，堪稱「神話」！
  • 實現實時跟蹤，單光子探測器再立新功，新雷達可探測數百公裡外小目標
    文/無痕在中美科技角力下，中國科技發展備受關注。近日，中國新型雷達關鍵技術獲得突破。研發團隊在超導陣列單光子探測器方面取得新的進展。，展現了超導單光子探測器的強大應用潛力。消息指出，針對低空的大氣衰減和湍流等複雜環境下，遠距離目標高精度探測難題成了雷達研發過程中最大的瓶頸。南京大學科研團隊在單光子雷達系統上的研發成績取得實質性進展。團隊最新研製的高靈敏、高精度、高速率的超導陣列單光子探測器為新型雷達雷射雷達系統提供關鍵技術支持。
  • 中國發明單光子雷達，能透過霧霾100公裡外成像
    令人欣喜的是，這個世界性難題被中國一位85後科學家攻破，中國科技技術大學塗飛虎團隊研製成功單光子成像雷達，已經實現了45公裡的遠距離成像，並且具備了100公裡遠的成像能力。這種雷達最厲害的是可以透過霧霾看清目標，就像是「神話」一樣。
  • 上海微系統所實現實用化超導單光子探測器性能突破
    超導納米線單光子探測器（SNSPD）是本世紀初出現的一種新型的單光子探測技術，其探測效率、暗計數、時間抖動等性能指標明顯優於傳統的半導體單光子探測器，受到國內外學術界的廣泛關注，並已經廣泛應用於量子通信、量子計算等領域，並有力推動了量子信息技術的發展。
  • 打破壟斷 我國成為第二個掌握固體紫外單光子探測器技術的國家
    一根燃燒的蠟燭1秒鐘可以發射出100億億個以上的光子，要探測到能量如此小的單個紫外光子一直是世界技術難題。記者昨天獲悉，南京大學電子科學與工程學院長江特聘教授陸海為首的研究團隊近來獲得突破，在國內首先研製出超靈敏度的固體紫外單光子探測器，從而使中國成為繼美國之後第二個掌握這一核心技術的國家。
  • 又一個世界第一，國產新型雷射雷達可探測數百公裡外目標
    10月9日的南京大學官網，在其首頁的科研動態頭條，發布了一篇題為《「南大眼」再立新功——張蠟寶、康琳、吳培亨團隊超導陣列單光子探測器取得新進展》的文章，文中稱，從中國電科十四所某試驗外場傳來消息，超導單光子雷射雷達系統，實現了對低空大氣層中數百公裡外目標的實時跟蹤探測，展現了超導單光子探測器的強大應用潛力
  • 中國科學家發明新型單光子相機 實現全球最遠距離單光子成像雷達
    這意味著無論在白天和晚上，觀察者都能從45千米之外，把目標大樓的輪廓、大樓的窗戶等信息準確地拍出來。具體來說，本次研究通過亞像素掃描以及適用於遠程應用的反卷積兩種方法，最終實現遠距離亞瑞利解析度（Subsurface Rayleigh）成像。亞像素掃描：可探測小光斑內容物由於光學器件的衍射限制，隨著光的傳播，光束的距離越遠，擴散得就會越嚴重。
  • 中國科學家發明新型單光子相機 實現全球最遠距離單光子成像雷達
    徐飛虎2017年從麻省理工學院歸國開展工作，回國後加入中科大潘建偉院士團隊，一直致力於發展實用化量子信息技術。他曾首次提出單像素單光子成像方法，實現了全球最遠距離的單光子成像雷達，並保持著國際領先地位。
  • 中國科學家發明新型單光子相機，實現全球最遠距離單光子成像雷達
    未來該團隊會就 100 公裡的成像技術，進行深入的實驗。這位於 2017 年從麻省理工學院（MIT）歸國開展工作的 85 後科學家，回國後加入中科大潘建偉院士團隊，一直致力於發展實用化量子信息技術。研究中主要用到兩項技術，一項技術是在系統上做探測，即讓一束光「行走」45 公裡並打到目標上，然後通過目標的漫反射返回。據徐飛虎介紹，哪怕只有一兩個光子返回，該團隊的實驗系統也能有效收集並探測到。
  • 無人探測太空飛行器：深空探測器系統概述，市場現狀及發展趨勢分析
    1 深空探測器系統概述深空探測器是對月球及以遠的天體和空間環境進行探測的無人太空飛行器，按探測目標具體可以將深空探測器分為月球探測器、太陽探測器、行星及行星際探測器等。深空探測器一般由科學載荷及平臺構成，探測器的科學載荷一般由探測器的觀察目標及探測任務決定。
  • 南大專家在國內率先研發超級探測器能捕捉到紫外單光子
    原標題：南大專家在國內率先研發超級探測器能捕捉到紫外單光子 　　本報訊(記者毛慶實習生趙修麗)一根燃燒的蠟燭1秒鐘可以發射出100億億個以上的光子，探測到其中能量最小的單個紫外光子一直是世界技術難題。
  • 超導陣列單光子探測器取得新進展
    從中國電科十四所某試驗外場傳來消息，超導單光子雷射雷達系統，實現了對低空大氣層中數百公裡外目標的實時跟蹤探測，展現了超導單光子探測器的強大應用潛力。由於光子是光的最小能量單元，具備單光子靈敏度的雷達系統可將雷射雷達系統的性能發揮到極致。在單光子雷射雷達系統的研究上，團隊與中國電子科技集團公司第十四研究所攜手合作多年。