集成3d打印編碼濾波器的超導(dǎo)單光子光譜儀

作者：中科院上海微系統(tǒng)所發(fā)布時(shí)間：2022-10-21

近日，中科院上海微系統(tǒng)所尤立星、李浩團(tuán)隊(duì)，陶虎團(tuán)隊(duì)以及上海交通大學(xué)王增琦團(tuán)隊(duì)合作，結(jié)合超導(dǎo)納米線單光子探測技術(shù)、雙光子3d打印編碼濾波技術(shù)、計(jì)算重構(gòu)技術(shù)等實(shí)現(xiàn)單光子計(jì)數(shù)型光譜分析儀，相關(guān)成果以“superconducting single-photon spectrometer with 3d-printed photonic-crystal filters”為題于2022年9月27日在線發(fā)表在中科院一區(qū)學(xué)術(shù)期刊acs photonics上，并被選作當(dāng)期副封面。

圖1 集成3d-打印濾波器的超導(dǎo)單光子光譜儀概念圖

光譜作為物質(zhì)的指紋，是人類認(rèn)知世界的有效手段，在科學(xué)研究、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域已經(jīng)有了較為普遍的應(yīng)用。目前，在單光子源表征、熒光探測、分子動(dòng)力學(xué)、電子精細(xì)結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域的光譜測量，已經(jīng)達(dá)到了量子水平，例如，在生物、化學(xué)和納米材料領(lǐng)域需要對單個(gè)原子、分子、雜質(zhì)等微弱光譜進(jìn)行探測分析，這些光譜覆蓋范圍廣，強(qiáng)度弱，因此，對寬譜、高靈敏度、高分辨率的光譜探測器存在迫切需求。傳統(tǒng)的半導(dǎo)體探測器如光電倍增管（pmt）、雪崩二極管（spad）等雖然實(shí)現(xiàn)了單光子靈敏度的探測，但是存在近紅外探測效率低，噪聲大，探測譜寬有限等問題。近年來快速發(fā)展起來的超導(dǎo)納米線單光子探測器（snspd）因其高效率（>;90%）、低暗計(jì)數(shù)（<0.1cps）、低抖動(dòng)（~3ps）、寬譜（可見～紅外）的優(yōu)異性能，在眾多領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。將snspd集成到光譜分析儀中，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)極弱光的光譜測量，還具備非常寬的工作范圍，在量子信息技術(shù)、天文光譜、分子光譜等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

圖2 器件結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖

該工作中，合作團(tuán)隊(duì)利用超導(dǎo)單光子探測器的高效、寬譜等性能優(yōu)勢，首先設(shè)計(jì)制備4*4陣列型偏振不敏感超導(dǎo)單光子探測器，然后借助雙光子3d打印技術(shù)的靈活性在每個(gè)探測器像元上制備光子晶體編碼濾波器，最后通過分析探測像元光譜響應(yīng)特性等建立了計(jì)算光譜重構(gòu)問題的數(shù)學(xué)模型，最終實(shí)現(xiàn)光子計(jì)數(shù)型光譜分析儀。文中該光譜分析儀工作范圍覆蓋1200~1700nm，靈敏度達(dá)到-108.2dbm，分辨率~5nm。相比當(dāng)前商業(yè)光譜儀的靈敏度(一般靈敏度在-60~90dbm),具有兩個(gè)數(shù)量級以上的提升，為單光子源表征、前沿天文光譜學(xué)、熒光成像、遙感、波分復(fù)用量子通信等微弱光譜分析領(lǐng)域的研究提供了有效的解決方案。

圖3 光譜分析效果圖

論文第一作者為上海微系統(tǒng)所博士研究生肖游，第二作者為上海微系統(tǒng)所博士研究生維帥，第三作者為上海交通大學(xué)徐佳佳。通訊作者為上海微系統(tǒng)所陶虎研究員、李浩研究員、尤立星研究員。該研究得到了國家自然科學(xué)基金(61971408、61827823),重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2017yfa0304000),上海市量子重大專項(xiàng)(2019shzdzx01),上海市啟明星(20qa1410900)以及中科院青促會(2020241、2021230)等項(xiàng)目的支持。論文致謝清華大學(xué)張巍教授、鄭敬元博士的討論。論文鏈接見https://doi.org/10.1021/acsphotonics.2c01097。