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

超導納米線單光子探測器的快速發展使其在量子計算、深空通信、遙感和生物熒光成像等多個前沿領域得到了廣泛應用。尤其是激光雷達和成像領域，要求探測器既要實現高探測速度，同時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)，通常可以通過降低納米線的占空比減小器件的動態電感和恢復時間，從而提高探測速度，但代價是納米線吸收效率的嚴重衰退，因此難以同時實現高速且高效的探測。針對這種制衡關系，聯合團隊提出了一種光場局域化方法，通過在超窄(~80 nm)超薄(~6 nm)超導NbN線條下方集成2D光子晶體結構，在目標波長(1550 nm)實現了90%的吸收效率。在該設計中，納米線占空比縮小到至12%，為傳統介質反射鏡結構器件的1/3，飽和計數率達到了80 MHz，對應恢復時間只有12 ns，實現了接近3倍探測速度的提升。

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

論文第一作者為上海微系統所博士后肖游，中北大學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民研究員。該研究得到了國家自然科學基金（12033007、61827823、61971408），上海市揚帆計劃（21YF1455700）以及中科院青促會（2020241）等項目的支持。

審核編輯：劉清