近红外宽谱超导纳米线单光子探测器件

Superconducting Nanowire Single Photon Detectors surpass traditional single photon detectors at near infrared wavelength with higher detection efficiency (DE), low dark count rate, smaller timing jitter and higher operation speed. SNSPD technologies has been fast developed in the past decade. Applications and demonstrations have been reported in various fields, such as quantum communication, free-space laser communication, laser ranging and fiber sensing. Usually, researchers worked hard on how to improve the DE of SNSPD at a specific wavelength instead of a wideband. There were few reports on high DE SNSPD for wide wavebands. We have been successfully fabricated multiple SNSPDs at specific wavelengths with high DE (>70%) in the past two years. In this proposal, we would like to carry out the study of wideband SNSPD for near infrared wavelength (800 nm-1600 nm). We can understand the detection mechanism for SNSPD by studying the detection properties of SNSPD for photons with different energy. By optical design and simulation, we may obtain high wideband optical absorption for the nanowire. By optimizing the superconductivity of the film and the geometric parameters of the nanowire, high intrinsic DE can be realized. We will fabricate the high DE SNSPD for near infrared wavelength, fulfilling the application requirement of high DE and wideband single photon detectors such as microscopy, imaging, and atmospheric monitoring. Besides the study may give interesting knowledge on how to realize SNSPDs with DE of unity.

超导纳米线单光子探测器（SNSPD)在近红外波段和传统单光子探测器（APD，PMT等）相比，具有探测效率高、暗计数低、时间抖动小和速度快等优势。过去十多年来得到了快速的发展，并且在量子通信、激光通信、激光测距和光纤传感等领域得到了应用验证。传统的SNSPD研究集中于如何提高在某一个特定波长的探测性能，很少有宽谱高性能SNSPD器件结果报道。申请人也在过去2年内成功实现了从可见光到近红外波段的多个特定波长的高效率SNSPD器件。本项目拟开展近红外波段（800 nm-1600 nm）宽谱响应SNSPD研究。通过器件光电特性研究，阐明超导纳米线对不同能量光子的探测机理；通过光学设计仿真，实现纳米线的高光吸收效率；通过优化薄膜超导特性和器件几何参数，实现高的本征探测效率。从而研制近红外波段高探测效率宽谱SNSPD器件，解决有关应用需求，并为实现近红外波段接近100%探测效率的器件打下基础。

超导纳米线单光子探测器（SNSPD)具有探测效率高、暗计数低、时间抖动小和速度快等优势，在量子通信、激光通信、激光测距和光纤传感等领域得到了应用验证。本项目目标是阐明超导纳米线对不同能量光子的探测机理；探索超导纳米线对不同波长光子宽谱高效吸收方法；器件设计仿真和工艺优化相结合，研制近红外波段宽谱、高探测效率SNSPD器件。从而研制近红外波段高探测效率宽谱SNSPD器件，解决有关应用需求，并为实现近红外波段接近100%探测效率的器件打下基础。.经过4年多的研究工作，SNSPD从探测机理到器件性能都得到了很好的发展。主要取得的成果如下：a) 开展超导纳米线对不同能量光子的探测机理研究，从实验上证明准粒子扩散模型无法完全解释SNSPD探测机理；b)发展了基于金属薄膜反射镜、多层介质光学薄膜和基于微纳光纤耦合的三类宽谱高效SNSPD方法，通过器件仿真和工艺优化相结合，成功制备可见至近红外波段宽谱、高探测效率SNSPD器件。实现了器件性能指标如下：a)研制微纳光纤耦合超宽谱SNSPD，可工作在500-1700nm波段。在630 nm至1500 nm范围内显示出宽带系统探测效率（SDE）超过50％。最大SDE在785 nm处达到66％，器件探测效率在550-1700nm波段超过50%。典型暗计数小于10Hz；b) 采用SiO作为介质层，Al作为金属层形成反射镜衬底。在此衬底上，制备了NbN纳米线，增强近红外波段光学吸收效率。研制的器件在950-1600 nm波段10Hz暗计数条件下，探测效率超过50%。在1064nm、1310nm和1550nm波长，探测效率分别达到了78.3%，70.9%和57.7%。研制基于双层纳米线的宽谱SNSPD，950-1650nm波段探测效率超过60%。此外，在本项目支持下发表标注项目支持SCI学术论文16篇，申请发明专利2项，授权发明专利3项。本项目在聚焦宽谱SNSPD器件研发的同时，相关技术也带动了高效率低噪声SNSPD器件与系统研发，已经广泛应用于我国量子信息技术领域研究，成功实现了量子密钥分发、光量子计算、量子光源表征、激光雷达等应用，有力推动了我国在相关领域的科技进步。