超導單光子探測技術概述

光具有波（電磁波）粒（光子）二象性，光子是傳遞電磁相互作用的基本粒子。在量子通信技術中，信息的基本載體就是單光子。因此，單光子精密定量檢測的實現，不僅可以加深人類對量子微觀世界的認識，而且也是實現實用化的量子通信技術的保證。單光子探測技術（SPD）是在光子尺度對光信號進行探測、分析和處理的關鍵技術，是光電檢測技術領域的研究前沿。

單光子探測器性能指標主要有：工作波段、系統效率、暗計數、時間抖動和重複速率。工作波段是指該SPD能夠探測到的光子的波長範圍。系統效率是指一個光子入射到探測器上被檢測到的概率。實際中，SPD系統效率和入射光子的波長相關。因此，通常將系統效率和工作波段這兩個性能參數聯繫在一起。如，硅基單光子探測器在650nm波段的系統效率可達65%。

在沒有輸入入射光子情況下，由於器件、電路和其他一切因素導致的光子計數被稱為暗計數。暗計數反應了SPD工作時的雜訊情況。探測器探測響應和光子入射的時間差存在一定波動。由於該波動有一定的隨機性，服從高斯分佈。因此，其分佈的寬度常採用半高寬（FWHM）來定量描述，即器件的時間抖動。重複速率是反應器件探測光子的最大速度。

目前常用的單光子探測器有：光電倍增管（PMT）、雪崩二極體（APD）等。Si-APD主要工作在400~1100 nm，Ge-APD工作在800~1550 nm，InGaAs-APD工作在900~1700 nm。此外，超導單光子探測器（Superconductor nanowire single photon detector， SNSPD）是一種新型單光子檢測器，兼具有靈敏度高和低雜訊的優點，在眾多領域存在潛在應用，是超導電子學領域的研究熱點。

超導單光子探測器示意圖

1990年，Kadin等首次提出利用吸收光子后在二維超導體上形成的渦旋—反渦旋對（VAP）來檢測紅外光子。基於這個思想，Gupta等提出氮化鈮（NbN）超導納米線的單光子探測器模型。Semenov等提出給NbN超導納米線加一個偏置電流以輔助超導態的臨界轉變進而實現對單光子的檢測。2001年，Gol'tsman等在實驗上製備出世界上第一個超導單光子探測器。

近年來，SNSPD的實驗研究發展迅速，受到超導電子學、光電探測、量子信息等領域研究人員的廣泛重視。SNSPD的快速發展對於基礎研究、工業應用和軍事技術等都具有極大的推動作用。

SNSPD的單光子探測理論模型

SNSPD的單光子探測過程可分為如下3步：超導納米線被冷卻到超導轉變溫度以下，並偏置在稍低超導臨界電流的狀態；當一個光子被超導納米線吸收后，在納米線上形成一個電阻態區域；通過檢測這個電阻態即可以檢測到入射光子；檢測完后，器件自動恢復到初始狀態，準備檢測下一個入射光子。

熱點模型下的SNSPD工作方式示意圖

熱點模型是用於解釋SNSPD工作機制的一個主要理論模型。超導納米線吸收光子產生熱點，如果光子能量足夠高，產生的熱點足夠大，熱點就會阻斷超導納米線，在器件上形成電阻態，通過檢測這個電阻態即可以探測到入射光子。熱點模型可以定性的分析光子能量與檢測概率的關係，即光子能量越大，破壞納米線超導態的概率越高，檢測概率越大。

SNSPD納米線的製備材料

目前，製備SNSPD納米線的材料主要有NbN、NbTiN、Nb等。為了獲得更好的系統探測效率，一些新型的超導材料也被採用製備SNSPD，比如鈮鈦氮（NbTiN）、硅化鎢（WSi）、二硼化鎂（MgB2）、氮化鉭（TaN）、硅化鉬（MoSi）、鉬鍺化合物（MoGe）等。目前用於製備SNSPD最廣泛的材料還是NbN薄膜。

SNSPD超導薄膜製備技術

目前，在實驗室和工業生產中，得到廣泛應用的薄膜製備技術主要有離子束輔助沉積法（IBAD）、真空蒸發鍍膜法（Evaporation）、分子束外延（MBE）、脈衝激光沉積法（PLD）、化學氣相沉積法（CVD）、溶膠-凝膠法（sol-gel）以及磁控濺射鍍膜法（Magnetron Sputtering）等。質量優異、性能穩定的薄膜材料是研製高性能電子器件的保證。

北京埃德萬斯近年與國內相關單位合作開展相關研發工作，已取得相當的進展；採用IBA-IBSDS製備的NbN薄膜20 x 20 um2的共面波導（CPW）上，利用離子束刻蝕（IBE）技術刻蝕出0.2 um的折線形成微結構，所製成的SPD器件最高量子效率可達57%，響應速度已達~GHz量級。

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