综述：中红外超导纳米线单光子探测器潜力、进展与挑战
2026-09-13 11:18:23 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

本重点探讨了超导纳米线单光子探测器（SNSPD）的研究进展，最新研究表明该类器件的单光子探测灵敏度已扩展至29 μm。文中还讨论了该器件未来的发展潜力，以及克服技术发展挑战的可行思路。

能够在中红外波段（波长超过2 μm，光子能量低于0.62 eV）实现单光子探测，是解锁一系列新兴科学应用的关键，涵盖遥感激光雷达（LiDAR）、分子光谱学以及全新的暗物质探测技术。半导体单光子雪崩二极管（SPAD）等传统探测器，在如此低的光子能量下灵敏度会大幅衰减。而超导材料具备更低的特征能隙，在该领域极具发展前景。超导纳米线单光子探测器（SNSPD）制备工艺包括沉积一层厚度小于10 nm的超导薄膜，再通过电子束光刻技术对薄膜进行图案化，形成约100 nm窄的纳米线。与此同时，利用光刻技术制备更宽的纳米线目前仍是活跃的研究领域。

SNSPD的探测周期

图1 SNSPD的探测周期

据麦姆斯咨询报道，近日，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）和英国格拉斯哥大学（University of Glasgow）在Applied Physics Letters期刊上发表了题为“Mid-infrared superconducting nanowire single-photon detectors: Potential, progress, and challenges”综述文章，重点探讨了SNSPD的研究进展，最新研究表明该类器件的单光子探测灵敏度已扩展至29 μm（0.043 eV）。文中还讨论了该器件未来的发展潜力，以及克服技术发展挑战的可行思路。

中红外SNSPD的潜力

除超导技术外，中红外（MIR）探测器的主流发展方向集中于碲镉汞（HgCdTe）光电探测器和阻挡杂质带（BIB）探测器。Ⅱ类超晶格探测器同样在中红外传感中展现出应用前景。其它超导探测技术，例如动能电感探测器（KID）和转变边缘传感器（TES），从原理上也可实现中红外波段探测，因为其探测机制中的本征能量尺度与SNSPD相似。然而，对于上述这些技术，目前尚未实现中红外波段的实际光子计数演示。这使得它们适配某些实验场景，并且从根本上限制了器件灵敏度和噪声等效功率。图2概述了单光子探测器技术及其已验证工作波长灵敏度。

单光子探测器技术比较

图2 单光子探测器技术比较

中红外单光子探测器的成熟将撬动多个领域的技术突破。自由空间应用能够从扩展工作波长中受益。激光雷达、量子与经典自由空间通信等快速发展的技术领域，均可利用2至5 μm光谱范围。该波段与成熟通信波段（1.3-1.55 μm）相比，大气吸收水平相当，同时工作于太阳背景辐射较低的光谱范围；这样既降低了背景计数率，也提升了信噪比（SNR）。生物成像应用是从中红外单光子探测器发展中获益的另一领域。在基础物理应用中，针对更长波长优化的SNSPD也具有很大潜力。此外，在天文观测应用，系外行星光谱学依靠一系列技术确定遥远系外行星的大气成分及存在的分子种类。如上所述，中红外SNSPD的潜在应用场景广泛且多样。可以预见，经过优化的中红外SNSPD兼具低光子能量探测灵敏度和优异的探测指标，也将赋能众多其它应用领域。

中红外SNSPD的应用示例

图3 中红外SNSPD的应用示例

中红外SNSPD的研究进展

想要研制高速、低噪声且高探测效率的中红外SNSPD，需要在多个研究方向同步突破。首先，需证明器件的能量灵敏度足以使长波长单光子入射后，单光子探测器产生满足饱和内探测效率（IDE）的脉冲。其次，需开发出长波光子与纳米线高效耦合中的方案。再次，需证明当光子能量降低时，或采用为实现高灵敏度和高探测效率所需的制造工艺不佳时，SNSPD的固有时间抖动和暗计数率不会随之恶化。最后，SNSPD探测器架构需具备可扩展性，能够制备大规模阵列。

中红外SNSPD的部分研究成果