集成超构透镜的超导单光子探测器实现性能提升与功能增加
2026-09-13 16:57:14   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

过去十年间，多单元超导纳米线单光子探测器（SNSPD）凭借其出色的系统探测效率（SDE）、超高的计时精度以及可忽略不计的暗计数，已成为领先的单光子探测技术之一。然而，对于单探测单元SNSPD而言，要同时实现上述性能一直是一项具有挑战性的难题，其根本原因在于存在一定的性能权衡：较大的有源区面积对于获得较高的系统探测效率是所必需的，而较小的有源区域则有利于实现更高的光子计数率、更低的暗计数率以及更低的时间抖动。

据麦姆斯咨询报道，近期，雪城大学（Syracuse University）提出了一种与单探测单元SNSPD集成的低温介质超构透镜（Metalens），以较小的有源区面积实现了较高的系统探测效率。与未集成超构透镜的相同参考SNSPD相比，集成尺寸适中（60 μm × 60 μm）的超构透镜的SNSPD（有源区为5 μm × 5 μm）的系统探测效率提高了约77倍。进一步地，研究团队从理论上展示了利用线偏振分束（LPBS）超构透镜，在电信波长下实现偏振分辨光子探测的可行性。在x偏振光和y偏振光照射下，对于集成LPBS超构透镜的一对相互正交的SNSPD，实现了小于2%的交叉探测概率。将多功能低温超构表面（Metasurface）与当前最先进的SNSPD相集成，有望赋予单光子探测器新的功能，同时降低其在尺寸、重量、功耗、成本以及制冷（SWaP-C²）方面的需求。上述研究成果以“Cryogenic Dielectric Metasurface-Integrated Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors”为题发表于Nanophotonics期刊。

集成超构透镜的SNSPD

图1展示了一种介质超构透镜的示意图，该超构透镜能够将入射的x偏振光聚焦到一个沿偏振方向对齐的曲折形单探测单元SNSPD上。与利用光的折射实现聚焦的传统透镜不同，超构透镜通过纳米天线局部引入突变的相位变化，对入射波前进行调控，从而实现光束聚焦。超构透镜能够在面积为A_M的区域内收集光，并将其聚焦到SNSPD的有源区面积A_D上，从而在无需增大SNSPD有源区面积的情况下，将有效光收集面积由A_D提升至η_cA_M。这里，光学耦合效率η_c定义为入射到SNSPD有源区的光强与入射到超构透镜表面的光强之比。SNSPD由厚度为8 nm、宽度为100 nm的氮化铌钛（NbTiN）曲折形纳米线构成，填充因子为50%，有源区面积为A_D = 5 μm × 5 μm，比工作在1550 nm波长下的典型SNSPD小约一个数量级。

图1 集成超构透镜的SNSPD

对于设计的1550 nm工作波长，超构透镜由二氧化硅（SiO₂）衬底上的非晶硅（a-Si）圆柱形纳米柱阵列构成（如图2a所示），纳米柱高度H = 850 nm，正方形晶格周期P = 600 nm。通过改变纳米柱的直径，可以调控透射光的相位，使其覆盖完整的2π相位范围。利用一组由8种不同纳米圆柱组成的移相器拟合了超构透镜的相位分布，使超构透镜的透射效率达到86%。为了量化集成超构透镜的SNSPD的性能，研究人员使用了系统探测效率（SDE），将其定义为光耦合效率、吸收效率和计数注册效率的乘积。

图2 集成超构透镜的NbTiN SNSPD系统探测效率增强效果

选择最佳的数值孔径（NA）对于较小的探测器面积A_D = 5 μm × 5 μm至关重要。直观来看，要将入射光聚焦到直径小于5 μm的光斑，需要中等至高数值孔径的超构透镜。然而，随着超构透镜数值孔径的增加，其聚焦效率会逐渐降低，从而降低耦合效率。此外，还会影响吸收效率。图2b展示了系统探测效率增强因子随超构透镜数值孔径变化的函数关系。研究人员的模拟表明，当NA = 0.5（对应约52 μm的模拟焦距）时，尺寸适中的超构透镜可以提供约77倍的增强因子。

系统探测效率增强效果对SNSPD相对于超构透镜的对准状态（位置和方向）较为敏感。对于本研究所考虑的具有小有源区面积的SNSPD，当探测器方向保持最佳状态、但相对于理想位置发生横向偏移时，若偏移量约为探测器尺寸的30%，增强因子仅下降约1%。当横向偏移进一步增大，例如达到探测器尺寸的50%时，增强因子将下降约37%。尽管增强因子有所降低，集成超构透镜的SNSPD的系统探测效率仍约为相同参考SNSPD的48倍。因此，要使集成超构透镜的SNSPD达到最佳性能，需要实现高精度对准，并依赖成熟的纳米制造技术。图2c展示了超构透镜的聚焦效果，其中给出了x-z平面内的光场强度分布。插图展示了NbTiN纳米线处（x-y平面）的聚焦光斑，其焦平面上沿x轴的光强分布半高全宽（FWHM）为1.47 μm。

集成多功能超构透镜的SNSPD

偏振是光的属性之一，其探测在生物医学成像、遥感、量子密钥分发以及天文学等领域具有广泛的应用。在此，研究人员设计了一款与一对相互正交的NbTiN SNSPD集成的介质线偏振分束（LPBS）超构透镜，以在通信波长下实现偏振分辨的单光子探测。图3a–3c展示了介质LPBS超构透镜的原理示意图，它将超构透镜与线偏振分束器结合为一体。在此，入射的圆偏振光被分解为其x偏振和y偏振分量，然后分别被聚焦到沿x轴和y轴排列的SNSPD上。

图3 集成线偏振分束（LPBS）超构透镜的SNSPD

接下来，研究人员重点研究集成LPBS超构透镜的SNSPD的偏振分辨光子探测功能，并通过量化同偏振探测（co-detection）概率和交叉偏振探测（cross-detection）概率对其性能进行表征。其中，同偏振探测概率定义为：当x偏振光照射时，纳米线沿x方向排列的集成LPBS超构透镜的SNSPD发生光子探测的概率。另一方面，交叉偏振探测概率定义为：当x偏振光照射时，纳米线沿y方向排列的集成LPBS超构透镜的SNSPD发生光子探测的概率。图4a给出了LPBS超构透镜分别在x偏振光和y偏振光照射下，同偏振探测概率和交叉偏振探测概率随两个探测器之间距离变化的关系。可以看到，对于两种偏振状态，当两个探测器之间的距离d > 10 μm时，交叉偏振探测事件均可忽略，其概率约为1%～2%。对于理想的偏振分辨光子探测，交叉偏振探测概率应为零，并且器件对于x偏振光和y偏振光应具有相同的响应。

图4 利用集成LPBS超构透镜的SNSPD进行偏振分辨光子探测

然而，本文所提出的器件对x偏振光和y偏振光的响应并不完全一致。这种与理想情况的偏离，可能源于超构透镜对x偏振光和y偏振光的聚焦性能存在差异，而这种现象在介质超构透镜中较为常见。图4b和4c分别展示了当两个探测器间距为d = 10 μm时，集成LPBS超构透镜的SNSPD在x偏振光和y偏振光照射下的光强分布图。其中，上排为x-z截面的光强分布，下排为焦平面x-y的光强分布图（z = fₛ）。

结论

综上所述，这项研究工作提出了一种期待已久的解决方案，用于实现微型化单探测单元SNSPD，使其在保持较小有源区面积优势的同时，实现较高的系统探测效率。通过在SNSPD上方集成了介质超构透镜来实现这一目标，从而增大SNSPD的有效光收集面积。由于该集成器件具有更小的有源区面积，即更短的纳米线，因此能够在保持较短复位时间和较低时间抖动的同时，实现更高的光子计数率。进一步地，设计了一种介质LPBS超构透镜与一对相互正交的NbTiN SNSPD集成，以在1550 nm波长下实现新的偏振分辨光子探测功能。

论文链接：https://doi.org/10.1002/nap2.70172

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