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近日，中國科學(xué)院上海微系統所尤立星、李浩團隊與武愛(ài)民團隊合作，利用內嵌2D光子晶體結構實(shí)現了極低占空比超導納米線(xiàn)單光子探測器，在保證高吸收效率的同時(shí)成倍提高了探測速度。相關(guān)成果以“Ultralow-filling-factor superconducting nanowire single-photon detector utilizing a 2D photonic crystal”為題于11月24日在線(xiàn)發(fā)表在中科院一區學(xué)術(shù)期刊Photonics Research（Vol. 11, Issue 12, pp. 2128-2135 (2023)），并入選當期的編輯推薦 (Editor’s Pick)。

超導納米線(xiàn)單光子探測器的快速發(fā)展使其在量子計算、深空通信、遙感和生物熒光成像等多個(gè)前沿領(lǐng)域得到了廣泛應用。尤其是激光雷達和成像領(lǐng)域，要求探測器既要實(shí)現高探測速度，同時(shí)還能保持高系統探測效率，以獲得更高的信噪比和最大計數率。對于給定的光敏面大小(典型直徑為15~23 μm)，通?？梢酝ㄟ^(guò)降低納米線(xiàn)的占空比減小器件的動(dòng)態(tài)電感和恢復時(shí)間，從而提高探測速度，但代價(jià)是納米線(xiàn)吸收效率的嚴重衰退，因此難以同時(shí)實(shí)現高速且高效的探測。針對這種制衡關(guān)系，聯(lián)合團隊提出了一種光場(chǎng)局域化方法，通過(guò)在超窄(~80 nm)超薄(~6 nm)超導NbN線(xiàn)條下方集成2D光子晶體結構，在目標波長(cháng)(1550 nm)實(shí)現了90%的吸收效率。在該設計中，納米線(xiàn)占空比縮小到至12%，為傳統介質(zhì)反射鏡結構器件的1/3，飽和計數率達到了80 MHz，對應恢復時(shí)間只有12 ns，實(shí)現了接近3倍探測速度的提升。

圖1 極低占空比SNSPD (a-b)結構圖，(c-d)電場(chǎng)分布圖，(e)吸收、反射及透射譜，(f)探測效率及暗計數率曲線(xiàn)，(g)不同占空比脈沖恢復速度圖，(h)計數率曲線(xiàn)。

論文第一作者為上海微系統所博士后肖游，中北大學(xué)曹溪源副教授為共同一作。通訊作者為上海微系統所李浩研究員和武愛(ài)民研究員。該研究得到了國家自然科學(xué)基金（12033007、61827823、61971408），上海市揚帆計劃（21YF1455700）以及中科院青促會(huì )（2020241）等項目的支持。