集成3d打印編碼濾波器的超導單光子光譜儀

作者：中科院上海微系統(tǒng)所發(fā)布時間：2022-10-21

近日，中科院上海微系統(tǒng)所尤立星、李浩團隊，陶虎團隊以及上海交通大學王增琦團隊合作，結合超導納米線單光子探測技術、雙光子3d打印編碼濾波技術、計算重構技術等實現(xiàn)單光子計數(shù)型光譜分析儀，相關成果以“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)學術期刊acs photonics上，并被選作當期副封面。

圖1 集成3d-打印濾波器的超導單光子光譜儀概念圖

光譜作為物質的指紋，是人類認知世界的有效手段，在科學研究、生物醫(yī)藥等領域已經(jīng)有了較為普遍的應用。目前，在單光子源表征、熒光探測、分子動力學、電子精細結構等領域的光譜測量，已經(jīng)達到了量子水平，例如，在生物、化學和納米材料領域需要對單個原子、分子、雜質等微弱光譜進行探測分析，這些光譜覆蓋范圍廣，強度弱，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)的半導體探測器如光電倍增管（pmt）、雪崩二極管（spad）等雖然實現(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)展起來的超導納米線單光子探測器（snspd）因其高效率（>;90%）、低暗計數(shù)（<0.1cps）、低抖動（~3ps）、寬譜（可見～紅外）的優(yōu)異性能，在眾多領域都得到了應用。將snspd集成到光譜分析儀中，不僅能夠實現(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、天文光譜、分子光譜等領域具有重要的應用價值。

圖2 器件結構及工作原理示意圖

該工作中，合作團隊利用超導單光子探測器的高效、寬譜等性能優(yōu)勢，首先設計制備4*4陣列型偏振不敏感超導單光子探測器，然后借助雙光子3d打印技術的靈活性在每個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特性等建立了計算光譜重構問題的數(shù)學模型，最終實現(xiàn)光子計數(shù)型光譜分析儀。文中該光譜分析儀工作范圍覆蓋1200~1700nm，靈敏度達到-108.2dbm，分辨率~5nm。相比當前商業(yè)光譜儀的靈敏度(一般靈敏度在-60~90dbm),具有兩個數(shù)量級以上的提升，為單光子源表征、前沿天文光譜學、熒光成像、遙感、波分復用量子通信等微弱光譜分析領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基金(61971408、61827823),重點研發(fā)計劃(2017yfa0304000),上海市量子重大專項(2019shzdzx01),上海市啟明星(20qa1410900)以及中科院青促會(2020241、2021230)等項目的支持。論文致謝清華大學張巍教授、鄭敬元博士的討論。論文鏈接見https://doi.org/10.1021/acsphotonics.2c01097。