【ZiDongHua 之“自動(dòng)化學(xué)院派”收錄關(guān)鍵詞： 機(jī)器學(xué)習(xí) 光探測(cè)器 微弱光光譜分析技術(shù)】

　　

　　文章導(dǎo)讀｜綜述：超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器助力微弱光光譜分析 -《電磁科學(xué)》

　　

　　導(dǎo)　　讀

　　

　　光譜分析是人類認(rèn)識(shí)和探索物質(zhì)世界的重要手段。面向微弱光的高靈敏光譜分析不僅是推動(dòng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的重要實(shí)驗(yàn)技術(shù)，也為光譜信息應(yīng)用拓展出更廣闊的空間，在天文觀測(cè)、遙感測(cè)量、生物醫(yī)學(xué)和材料研究等科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

 

 

　　

　　提升光探測(cè)器的靈敏度是提升微弱光條件下光譜分析性能最直接和有效的方法。超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器（Superconducting Nanowire Single-Photon Detector, 簡(jiǎn)稱SNSPD）是一類靈敏度極高的光探測(cè)器，具備對(duì)單個(gè)光子進(jìn)行高效探測(cè)與計(jì)數(shù)測(cè)量的能力，為微弱光光譜分析提供了新的技術(shù)手段，近年來(lái)受到廣泛關(guān)注。

　　

　　清華大學(xué)電子工程系黃翊東教授、張巍教授團(tuán)隊(duì)在Electromagnetic Science期刊發(fā)表了綜述論文“Photon-Counting Spectrometers Based on Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors”，系統(tǒng)介紹了利用SNSPD實(shí)現(xiàn)光子計(jì)數(shù)光譜儀的原理和方法，以及近年來(lái)該技術(shù)的重要進(jìn)展和發(fā)展方向。

 

　　

　　Citation: Mingzhong Hu, Jingyuan Zheng, Kaiyu Cui, et al., “Photon-counting spectrometers based on superconducting nanowire single-photon detectors,” Electromagnetic Science, vol. 2, no. 3, article no. 0070191, 2024.

　　

　　DOI: 10.23919/emsci.2024.00191

　　

　　光譜儀的數(shù)學(xué)模型和分類

　　

　　實(shí)現(xiàn)光譜分析功能的儀器稱為光譜儀，它通過(guò)光學(xué)測(cè)量得到待測(cè)光在不同波長(zhǎng)（或頻率）處的光強(qiáng)分布。各種類型的光譜儀都可以通過(guò)圖1（a）所示的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述：待測(cè)光經(jīng)過(guò)光譜儀光學(xué)系統(tǒng)后被光探測(cè)器陣列探測(cè)，光學(xué)系統(tǒng)對(duì)每個(gè)探測(cè)器的波長(zhǎng)響應(yīng)加載不同的調(diào)制。這里，波長(zhǎng)響應(yīng)是指光探測(cè)器在不同波長(zhǎng)的單色光入射下光強(qiáng)和探測(cè)輸出信號(hào)之間的關(guān)系。實(shí)際光譜分析中，根據(jù)各光探測(cè)器的輸出信號(hào)和預(yù)先標(biāo)定的波長(zhǎng)響應(yīng)，即可計(jì)算恢復(fù)出待測(cè)光的光譜。這一簡(jiǎn)單的模型可以描述傳統(tǒng)的光柵分光型光譜儀和傅里葉變換光譜儀的原理。這兩類光譜儀具有完全不同的光學(xué)系統(tǒng)，相應(yīng)的光探測(cè)器波長(zhǎng)響應(yīng)如圖1（b）和（c）所示，分別呈現(xiàn)出分立的窄帶響應(yīng)和正弦函數(shù)型響應(yīng)。

　　

　　近年來(lái)，重建式光譜儀發(fā)展迅速。這類光譜儀往往通過(guò)光學(xué)芯片為光探測(cè)器的波長(zhǎng)響應(yīng)加載相關(guān)性低的隨機(jī)調(diào)制，如圖1（d）所示。借助壓縮感知和機(jī)器學(xué)習(xí)等算法，這種光譜分析技術(shù)可以利用很少數(shù)目的光探測(cè)器實(shí)現(xiàn)較多波長(zhǎng)采樣點(diǎn)數(shù)的光譜測(cè)量和重建，提高了光譜儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性，并有助于實(shí)現(xiàn)光譜儀的小型化與芯片集成。

 

　　

　　圖1 光譜儀的數(shù)學(xué)模型和分類 

　　

　　（a）光譜儀的數(shù)學(xué)模型（b）窄帶濾波或光柵分光型光譜儀的波長(zhǎng)響應(yīng)（c）傅里葉變換光譜儀的波長(zhǎng)響應(yīng)（d）重建式光譜儀的波長(zhǎng)響應(yīng)

　　

　　2SNSPD的機(jī)理和優(yōu)勢(shì)

　　

　　SNSPD中的超導(dǎo)納米線常用材料包括NbN、NbTiN、WSi等，典型厚度為幾個(gè)納米，寬度在百納米左右。SNSPD實(shí)現(xiàn)單光子探測(cè)的機(jī)理源自超導(dǎo)納米線吸收單光子后超導(dǎo)狀態(tài)的改變。自2001年被提出以來(lái)，SNSPD的性能不斷提升，已具備寬工作波段（覆蓋從可見(jiàn)光波段到中紅外波段）、近理想探測(cè)效率和極低暗計(jì)數(shù)（<10-4Hz）等優(yōu)異性能，在量子通信、量子計(jì)算和量子傳感等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)，超導(dǎo)納米線的薄膜結(jié)構(gòu)適合集成到各類微納光學(xué)芯片上，為發(fā)展新型微弱光光譜分析技術(shù)提供了新的技術(shù)途徑。

　　

　　為直觀展示SNSPD在靈敏度方面的優(yōu)勢(shì)，文中計(jì)算并比較了包括SNSPD在內(nèi)多種類型高靈敏度光探測(cè)器，在不同光子流密度下經(jīng)過(guò)1秒曝光時(shí)間能夠達(dá)到的探測(cè)信噪比（如圖2所示）。結(jié)果表明在可見(jiàn)光波段和近紅外波段，SNSPD表現(xiàn)均接近理想探測(cè)器（無(wú)暗計(jì)數(shù)，信噪比僅受限于泊松統(tǒng)計(jì)抖動(dòng)）。尤其在近紅外波段，相對(duì)于常用的InGaAs雪崩二極管單光子探測(cè)器和焦平面陣列，SNSPD在靈敏度上有明顯優(yōu)勢(shì)。

 

　　

　　圖2 不同類型光探測(cè)器的靈敏度比較

　　

　　3基于SNSPD的光子計(jì)數(shù)光譜儀研究進(jìn)展

　　

　　論文系統(tǒng)綜述了利用SNSPD實(shí)現(xiàn)高性能光子計(jì)數(shù)光譜儀的研究進(jìn)展。目前的工作大體分為兩類，一類采用傳統(tǒng)光譜儀光路，利用分立的SNSPD探測(cè)系統(tǒng)超高的探測(cè)靈敏度提升光譜儀性能。比如，將待測(cè)光經(jīng)過(guò)單色儀或波長(zhǎng)調(diào)諧濾波器后送入SNSPD探測(cè)，通過(guò)波長(zhǎng)掃描實(shí)現(xiàn)光譜分析功能，此類光譜儀已在微觀物理研究和大氣監(jiān)測(cè)中得到實(shí)際應(yīng)用。

　　

　　另一類通過(guò)將SNSPD的超導(dǎo)納米線與微納光學(xué)結(jié)構(gòu)集成在同一芯片實(shí)現(xiàn)光譜儀分析功能。通過(guò)在芯片上實(shí)現(xiàn)羅蘭圓或陣列波導(dǎo)光柵等傳統(tǒng)分光濾波結(jié)構(gòu)和SNSPD（陣列）集成，可省去傳統(tǒng)光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)，簡(jiǎn)化SNSPD的應(yīng)用。更進(jìn)一步地引入重建式光譜儀的概念，通過(guò)片上微納結(jié)構(gòu)對(duì)共同集成的SNSPD實(shí)現(xiàn)低相關(guān)性的波長(zhǎng)響應(yīng)調(diào)制，可更加靈活地實(shí)現(xiàn)基于壓縮感知的光譜分析器件。目前有多種光學(xué)結(jié)構(gòu)和物理機(jī)制可用于對(duì)片上SNSPD的波長(zhǎng)響應(yīng)進(jìn)行靈活調(diào)制，包括隨機(jī)散射結(jié)構(gòu)，光學(xué)超表面，超導(dǎo)納米線級(jí)聯(lián)吸收和偏置電流調(diào)控等。圖3給出了一個(gè)典型器件的示意圖和樣品顯微鏡照片。在這個(gè)器件中SNSPD陣列的超導(dǎo)納米線被制備在光學(xué)超表面陣列的微孔間隙中，不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的光學(xué)超表面為SNSPD帶來(lái)不同的波長(zhǎng)響應(yīng)調(diào)制。

 

　　

　　圖3 基于光學(xué)超表面的重建式SNSPD光譜儀

　　

　?。╝）器件示意圖（b）電子顯微鏡下樣品照片

　　

　　總結(jié)與展望

　　

　　論文綜述表明SNSPD的高靈敏度特性在微弱光光譜分析應(yīng)用上有巨大潛力，片上微納光學(xué)結(jié)構(gòu)和SNSPD的結(jié)合為發(fā)展重建式SNSPD光譜儀提供了廣闊的機(jī)理和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新空間。通過(guò)在光子計(jì)數(shù)光譜分析理論，單光子探測(cè)光譜分析器件和面向計(jì)數(shù)測(cè)量的光譜重建算法等方面進(jìn)一步的深入研究，可以預(yù)見(jiàn)SNSPD將助力微弱光光譜分析技術(shù)不斷提升性能，拓展應(yīng)用，推動(dòng)人類科學(xué)探索和技術(shù)進(jìn)步。