自2001年被發(fā)明以來，超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器（SNSPD）迅速成長(zhǎng)為近紅外波段的明星光子探測(cè)器，其在近紅外波段如1550 nm處系統(tǒng)探測(cè)效率超過95%，暗計(jì)數(shù)率低于1 cps（counts per second），時(shí)間抖動(dòng)優(yōu)于10 ps，探測(cè)速率高于1 GHz，并廣泛應(yīng)用在量子信息領(lǐng)域。近年來，研究人員開始將SNSPD引入到生物領(lǐng)域，以替代在近紅外波段具有低信噪比、多后脈沖的半導(dǎo)體單光子探測(cè)器。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，針對(duì)該領(lǐng)域發(fā)展概況，賦同量子科技（浙江）有限公司與中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了綜述分析，包括SNSPD的探測(cè)原理和性能指標(biāo)，并系統(tǒng)地闡述SNSPD在生物領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景。相關(guān)研究?jī)?nèi)容以“超導(dǎo)單光子探測(cè)器在生物領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)展（特邀）”為題發(fā)表在《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》期刊上。

SNSPD的發(fā)展與研究現(xiàn)狀

1911年，荷蘭科學(xué)家Onnes發(fā)現(xiàn)純汞在溫度低于4.2 K時(shí)，其電阻突然降到0，并將這種新奇狀態(tài)命名為超導(dǎo)態(tài)。零電阻是當(dāng)材料溫度低于某個(gè)臨界溫度時(shí)，材料里的自由電子不再互相排斥，而是在晶格的作用下兩兩配對(duì)（Cooper pair，庫(kù)珀對(duì)），形成的一種特殊凝聚態(tài)。超導(dǎo)體也存在能隙，常見低溫超導(dǎo)材料如Nb、NbN、NbTiN、MoSi、WSi等，能隙均在meV量級(jí)，相比近紅外波段光子能量（~1 eV左右）低接近3個(gè)數(shù)量級(jí)。2003年左右，SNSPD的低暗計(jì)數(shù)率、無(wú)后脈沖、極低抖動(dòng)等獨(dú)特性能和高探測(cè)效率、高計(jì)數(shù)率等潛在性能率先引起了20世紀(jì)末興起的量子信息領(lǐng)域的青睞，隨后蓬勃發(fā)展的量子信息領(lǐng)域進(jìn)一步引發(fā)了SNSPD的研究熱潮和性能快速迭代。

目前國(guó)際上有20余家SNSPD研究單位，國(guó)外有：美國(guó)的麻省理工學(xué)院、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所、噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室、耶魯大學(xué)；日本的國(guó)立情報(bào)與通信研究所；俄羅斯的莫斯科師范大學(xué)；荷蘭的代爾夫特理工大學(xué)；瑞士的日內(nèi)瓦大學(xué)；英國(guó)格拉斯哥大學(xué)等。國(guó)內(nèi)的研究單位包括中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所（簡(jiǎn)稱上海微系統(tǒng)所）、南京大學(xué)、天津大學(xué)等。在產(chǎn)業(yè)化方面，SNSPD也呈現(xiàn)出較好的發(fā)展態(tài)勢(shì)，目前全球已經(jīng)出現(xiàn)7家以SNSPD為核心產(chǎn)品的中小型高科技公司，包括Photon Spot（美國(guó)）、Quantum Opus（美國(guó)）、Scontel（俄羅斯）、Single Quantum（荷蘭）、ID Quantique（瑞士）、Pixel Photonics（德國(guó)）和賦同量子（PHOTEC，中國(guó)）。可以看出，在核心性能指標(biāo)方面，SNSPD在近紅外波段已經(jīng)遠(yuǎn)超半導(dǎo)體同行，其系統(tǒng)探測(cè)效率超過95%@1550 nm，暗計(jì)數(shù)率低至1 cps（counts per second）以下，時(shí)間抖動(dòng)優(yōu)于20 ps，計(jì)數(shù)率高于1 GHz等。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2023年，全球SNSPD探測(cè)系統(tǒng)累計(jì)出貨量接近1000臺(tái)套。

SNSPD的探測(cè)原理和核心性能參數(shù)

SNSPD探測(cè)原理

SNSPD一般是由一根超薄、超細(xì)的納米線條蜿蜒曲折構(gòu)成，其典型厚度在5~10 nm之間，與超導(dǎo)Ginzburg-Landu相干長(zhǎng)度相當(dāng)，典型寬度在50~100 nm之間，是厚度的10倍或以上，從幾何上可以描述成一個(gè)準(zhǔn)二維系統(tǒng)，從電路結(jié)構(gòu)上可以描述為一個(gè)動(dòng)態(tài)電感L?和一個(gè)時(shí)變電阻R?（t）的串聯(lián)，如圖1（b）所示。SNSPD主要是基于光子破壞超導(dǎo)庫(kù)珀對(duì)進(jìn)而使得器件從超導(dǎo)態(tài)跳變到正常態(tài)實(shí)現(xiàn)光子探測(cè)，研究人員先后提出了多種光子探測(cè)機(jī)理模型，主要有熱點(diǎn)模型、擴(kuò)散熱點(diǎn)模型、渦旋成核模型、渦旋穿越模型、超導(dǎo)相位滑移模型等，但迄今為止沒有哪一種單一的模型能解釋所有的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。本文主要介紹最為經(jīng)典和通俗易懂的唯象模型——熱點(diǎn)模型。

圖1 SNSPD的“熱點(diǎn)模型”探測(cè)機(jī)理

SNSPD系統(tǒng)性能指標(biāo)

系統(tǒng)探測(cè)效率（SDE）是單光子探測(cè)器最核心的指標(biāo)，即實(shí)際探測(cè)到的由光子引起的輸出響應(yīng)脈沖數(shù)與入射光子數(shù)之間的比值，是一個(gè)無(wú)量綱單位。系統(tǒng)探測(cè)效率受很多因素的影響，主要包括光耦合效率、光吸收效率和光響應(yīng)效率等。其中，光耦合效率主要是光子入射到探測(cè)器光敏面上的概率，與入射光場(chǎng)與探測(cè)器光敏面阻抗、模式匹配等相關(guān)。通過優(yōu)化工藝流程制備更大光敏面器件或者利用透鏡［圖2（a）］等手段聚焦光場(chǎng)可以將光耦合效率提升至接近100%。

圖2 三種提高系統(tǒng)探測(cè)效率的方法

暗計(jì)數(shù)率（DCR）指沒有光子入射情況下器件產(chǎn)生的和光子響應(yīng)類似的輸出信號(hào)，是一種誤發(fā)信號(hào)，一般包括器件在電路偏置以后自發(fā)產(chǎn)生的計(jì)數(shù)及系統(tǒng)雜散光引起的計(jì)數(shù)，以每秒產(chǎn)生的個(gè)數(shù)來表達(dá)，單位為cps。如圖3（a）所示，SNSPD器件的暗計(jì)數(shù)率曲線隨著偏置電流增加首先緩慢增加，接近臨界電流時(shí)，迅速呈指數(shù)形式增加。前者主要與光纖引入的黑體輻射相關(guān)，稱為“背景暗計(jì)數(shù)”。后者與納米線條的缺陷、工作溫度等因素相關(guān)，稱為“本征暗計(jì)數(shù)”。

圖3 暗計(jì)數(shù)率

時(shí)間抖動(dòng)（TJ）又稱儀器響應(yīng)函數(shù)（IRF），是指從光信號(hào)輸入到電信號(hào)輸出的間隔時(shí)間的不確定性，一般以半峰全寬（FWHM）來定義，在特殊應(yīng)用場(chǎng)景下需要考慮1/10高全寬（FWTM）。時(shí)間抖動(dòng)越小，意味著探測(cè)器的時(shí)間分辨度和精確度越好，對(duì)探測(cè)器在時(shí)間精度相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用有著決定性的影響。如圖4所示，SNSPD時(shí)間抖動(dòng)呈高斯分布，而SPAD的時(shí)間抖動(dòng)存在拖尾。

圖4 SNSPD與SPAD抖動(dòng)對(duì)比圖

計(jì)數(shù)率是指SNSPD器件在單位時(shí)間內(nèi)光子觸發(fā)并響應(yīng)的電脈沖數(shù)量。而基于“熱點(diǎn)”模型，SNSPD接收一個(gè)光子并產(chǎn)生響應(yīng)后，將有一段從無(wú)法探測(cè)光子到探測(cè)效率逐漸恢復(fù)的過程，這段時(shí)間被稱為SNSPD的死時(shí)間。計(jì)數(shù)率通常與死時(shí)間成反比，主要影響因素有器件自身的動(dòng)態(tài)電感、外部的偏置讀出電路等。

單光子探測(cè)器一般只能對(duì)一定光譜范圍內(nèi)的光子產(chǎn)生響應(yīng)，常規(guī)的半導(dǎo)體單光子探測(cè)器一般采用半導(dǎo)體材料如Si、InGaAs等，其能隙在1 eV左右，與近紅外波段光子能量相近，最遠(yuǎn)探測(cè)波段只能到1700 nm。

SNSPD在生物領(lǐng)域的應(yīng)用

按照成像原理，生物成像可以分為光學(xué)方法和非光學(xué)方法。光學(xué)方法是指利用生物體的特定光學(xué)特性如透射、反射、吸收、熒光等的空間、時(shí)間變化來獲得光學(xué)圖像，主要包括寬場(chǎng)熒光顯微鏡、共聚焦顯微鏡、多光子顯微鏡、熒光壽命成像、漫反射光譜等方法。相較于非光學(xué)方法，如計(jì)算機(jī)層析成像（CT）、核磁共振成像（MRI）等，光學(xué)成像方法具有較多優(yōu)勢(shì)，如不存在電離輻射、分辨率較高、可實(shí)現(xiàn)特異性標(biāo)記等。

探測(cè)器是生物光學(xué)成像中的核心部件，目前常用的探測(cè)器一般為半導(dǎo)體探測(cè)器，包含少光子靈敏的CMOS和CCD以及單光子靈敏的PMT、SPAD、SiPM等。相比上述探測(cè)器，SNSPD的主要優(yōu)勢(shì)如下：1）在近/中紅外波段具有單光子靈敏度，且具有高達(dá)90%以上的系統(tǒng)探測(cè)效率和低至1 cps的暗計(jì)數(shù)率，信噪比相比半導(dǎo)體探測(cè)器可以提高2~3個(gè)數(shù)量級(jí)，在熒光激發(fā)效率較低的應(yīng)用中有明顯優(yōu)勢(shì)；2）SNSPD無(wú)后脈沖和低時(shí)間抖動(dòng)，在熒光壽命成像、熒光相關(guān)光譜等時(shí)間相關(guān)應(yīng)用中具有明顯優(yōu)勢(shì)。依托上述優(yōu)勢(shì)，近年來部分研究小組將SNSPD引入到生物成像領(lǐng)域。

圖5 近紅外Ⅱ/Ⅲ區(qū)熒光共聚焦顯微鏡

圖6 基于PMT和SNSPD熒光壽命探測(cè)系統(tǒng)性能對(duì)比

圖7 基于SNSPD的單線態(tài)氧熒光探測(cè)系統(tǒng)

圖8 基于SNSPD的漫反射相關(guān)光譜系統(tǒng)

SNSPD未來發(fā)展趨勢(shì)

盡管SNSPD有諸多出色的優(yōu)勢(shì)，但至今尚未廣泛用于生物成像領(lǐng)域。主要限制如下：相對(duì)PMT探測(cè)器，SNSPD有效光敏面小，一般直徑在15~50 μm之間，導(dǎo)致光學(xué)對(duì)準(zhǔn)困難；相對(duì)CCD、CMOS、SPAD等探測(cè)器，其陣列像元數(shù)較少，無(wú)法實(shí)時(shí)成像等；另外，其工作溫度較低（~2 K），需要體積龐大的低溫冷卻系統(tǒng)等。針對(duì)以上問題，本文逐一介紹SNSPD的解決方案和發(fā)展趨勢(shì)。

SNSPD的核心結(jié)構(gòu)是由數(shù)十至百納米寬的超導(dǎo)線條蜿蜒而成，納米線缺陷數(shù)量會(huì)隨著納米線長(zhǎng)度增加而增加，導(dǎo)致大光敏面SNSPD器件制備成品率極低。隨著技術(shù)進(jìn)步，SMSPD有望在未來實(shí)現(xiàn)cm2尺度的超大光敏面，不過其實(shí)用化的主要問題在于為了使臨界電流接近拆對(duì)電流，SMSPD工作溫度需要更低，一般在1 K以下，下一步發(fā)展趨勢(shì)是提高SMSPD的工作溫度。

紅外探測(cè)器的發(fā)展一般沿著單元器件、小規(guī)模多元探測(cè)器、線列和小規(guī)模二維面陣、大規(guī)模焦平面陣列的路線。與常規(guī)的面探測(cè)器不同，SNSPD是線探測(cè)器，其陣列結(jié)構(gòu)可以更加多樣化，比如常規(guī)的具有空間位置分辨的N×M結(jié)構(gòu)、多根線并行纏繞結(jié)構(gòu)、基于延時(shí)線的陣列結(jié)構(gòu)等（圖9）。目前SNSPD還停留在小規(guī)模多元探測(cè)器階段，陣列數(shù)量一般小于100，在激光雷達(dá)、量子通信等研究中得到初步應(yīng)用。

圖9 紅外探測(cè)器陣列結(jié)構(gòu)

SNSPD一般采用低溫超導(dǎo)材料，如NbN、NbTiN等，需要工作在液氦溫區(qū)以下，因此SNSPD探測(cè)系統(tǒng)主要包括制冷系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和電子學(xué)系統(tǒng)三大部分，商業(yè)化系統(tǒng)效果圖如圖10所示。

圖10 商業(yè)化SNSPD探測(cè)系統(tǒng)QEye實(shí)物圖

結(jié)束語(yǔ)

21世紀(jì)初興起的SNSPD技術(shù)有效助力了我國(guó)量子信息領(lǐng)域的快速發(fā)展。與半導(dǎo)體單光子探測(cè)器如PMT和SPAD相比，SNSPD在近紅外波段具有更高的效率、更低的噪聲、更高的計(jì)數(shù)率、更低的抖動(dòng)且無(wú)后脈沖。近年來，SNSPD逐步邁出量子信息領(lǐng)域，成為生物成像、激光雷達(dá)、深空通信等弱光探測(cè)應(yīng)用的選擇之一。以SNSPD的基本工作原理為基礎(chǔ)，討論了重要性能指標(biāo)的影響因素，著重介紹SNSPD在生物成像方面的最新應(yīng)用進(jìn)展。

當(dāng)前，我國(guó)在SNSPD方面具備較好的技術(shù)儲(chǔ)備和商業(yè)化公司，但依然處于發(fā)展的黃金上升期。預(yù)計(jì)未來SNSPD會(huì)在生物成像領(lǐng)域驅(qū)動(dòng)下朝著大光敏面、小規(guī)模陣列、更高工作溫度、更遠(yuǎn)工作波段等方向發(fā)展，而探測(cè)器性能的提高將進(jìn)一步拓展SNSPD在生物成像領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍，并且有希望助力近紅外Ⅲ區(qū)生物成像的首次實(shí)現(xiàn)。

論文信息：

DOI: 10.3788/LOP232429

審核編輯：劉清