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超導(dǎo)納米線延遲線單光子成像器件進(jìn)展及應(yīng)用

MEMS ? 來(lái)源:MEMS ? 2024-10-22 14:48 ? 次閱讀
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單光子成像技術(shù)通過對(duì)每個(gè)光子攜帶的時(shí)空信息進(jìn)行探測(cè),實(shí)現(xiàn)對(duì)物體圖像的重構(gòu)?;诔瑢?dǎo)納米線的單光子探測(cè)器(SNSPD)具有高效率、低時(shí)間抖動(dòng)、寬響應(yīng)波段的優(yōu)勢(shì),非常適合單光子成像場(chǎng)景的需求。超導(dǎo)納米線延遲線單光子成像器件是一種新型的單光子成像器件,它利用超導(dǎo)納米線特有的高動(dòng)態(tài)電感構(gòu)造低速微波傳輸線,通過對(duì)輸出電脈沖進(jìn)行時(shí)間邏輯分析,同步讀取光子的到達(dá)時(shí)刻和空間位置。

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圖1 超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道,南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院和超導(dǎo)電子學(xué)研究所的科研團(tuán)隊(duì)從超導(dǎo)納米線延遲線單光子成像器件的設(shè)計(jì)原理、幾何結(jié)構(gòu)和讀出方式入手,對(duì)基于此成像器件在強(qiáng)背景噪聲下的單光子成像進(jìn)行實(shí)驗(yàn),證明了通過高性能器件和重構(gòu)算法的聯(lián)合優(yōu)化所實(shí)現(xiàn)的成像系統(tǒng)性能增強(qiáng)。相關(guān)研究?jī)?nèi)容以“超導(dǎo)納米線延遲線單光子成像器件進(jìn)展及應(yīng)用”為題發(fā)表在《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》期刊上。

超導(dǎo)納米線延遲線成像器件

本征的時(shí)空雙態(tài)光子信息讀出

利用讀出電路對(duì)SNSPD探測(cè)器陣列進(jìn)行復(fù)用讀出,隨著陣列規(guī)模的提升,讀出電路的規(guī)模和復(fù)雜度也增加。同時(shí),超導(dǎo)探測(cè)器所工作的極低溫環(huán)境又對(duì)讀出電路的功耗提出了嚴(yán)苛的要求。2017年,美國(guó)麻省理工學(xué)院的Karl Berggren教授、趙清源博士后及其合作者提出一種無(wú)需片上讀出電路的超導(dǎo)納米線單光子成像器件(SNSPI)。如圖2所示,SNSPI同樣采用超導(dǎo)納米線作為光探測(cè)單元,但不同于傳統(tǒng)單個(gè)SNSPD的設(shè)計(jì),SNSPI中的納米線被設(shè)計(jì)為微波傳輸線的結(jié)構(gòu)。當(dāng)光子在納米線位置X處被吸收,會(huì)破壞此處納米線的超導(dǎo)狀態(tài),將其激發(fā)至電阻態(tài)。納米線超導(dǎo)至電阻態(tài)的轉(zhuǎn)變,同時(shí)也激發(fā)出一對(duì)傳輸方向和極性相反的電脈沖。這種基于時(shí)間延遲的讀出方式可以應(yīng)用于超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器的另一個(gè)重要原因在于:超導(dǎo)納米線具有極高的動(dòng)態(tài)電感[~1000倍于納米線(100 nm寬)的幾何電感,如圖3]。

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圖2 超導(dǎo)納米線延遲線實(shí)現(xiàn)光子時(shí)空雙態(tài)讀出示意圖

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圖3 超導(dǎo)納米線微波特性

SNSPI幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

超導(dǎo)納米線成像器件由一根連續(xù)的納米線蜿蜒實(shí)現(xiàn)。通過控制納米線的空間蜿蜒結(jié)構(gòu),可以獲得不同形式的面陣和線陣。一種成像器件的設(shè)計(jì)方式是用一根連續(xù)的納米線同時(shí)作為探測(cè)器和延遲線,如圖4(a)所示。這種設(shè)計(jì)方式可以使得器件有著較高的有效面積填充率,繼承了SNSPD高效率的優(yōu)勢(shì)。若采用微帶線設(shè)計(jì),還能夠去除共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的接地區(qū)域,結(jié)合光學(xué)腔的優(yōu)化,能夠?qū)⒖傮w探測(cè)效率提高至50%以上。采用連續(xù)的納米線實(shí)現(xiàn)高密度區(qū)域,能夠?qū)崿F(xiàn)高的探測(cè)效率,但受制于納米線均勻性的影響,不易于制備大面積的成像器件。另一種設(shè)計(jì)方式是把超導(dǎo)納米線分為光響應(yīng)單元和延遲線兩部分,如圖4(b)所示。如圖4(c)所示,每一個(gè)探測(cè)單元都是3根5 μm長(zhǎng)、100 nm寬的并聯(lián)納米線,也叫作超導(dǎo)納米線雪崩探測(cè)器(SNAP)。除了面陣成像器件外,延遲線結(jié)構(gòu)的成像器件也十分適合設(shè)計(jì)成一維的線陣器件,如圖4(d)所示。相比于面陣器件,線陣器件雖然只有一維的空間分辨,但是具有更高的空間分辨率和像素填充率。2019年,耶魯大學(xué)利用一維空間分辨的延遲線成像器和衍射光柵,設(shè)計(jì)了一種片上單光子光譜儀,延遲線成像器為光譜儀提供了超過200個(gè)光譜通道,并具有進(jìn)一步的擴(kuò)展性。

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圖4 不同的超導(dǎo)納米線延遲線成像器幾何結(jié)構(gòu)

SNSPI基本性能表征

以分離型SNSPI面陣成像器件為例,介紹器件的工作原理和基本性能。圖5為SNSPI讀出電路的原理圖。超導(dǎo)納米線延遲線成像器件的典型脈沖波形如圖6(a)所示。

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圖5 SNSPI讀出電路原理

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圖6 SNSPI的時(shí)空探測(cè)基本性能

SNSPD在單光子成像中的應(yīng)用

在單光子成像中,由于信號(hào)光子稀少,因此圖像質(zhì)量受背景光子的影響很嚴(yán)重。當(dāng)前的一些少光子成像技術(shù)利用一些背景噪聲去除算法,可以在背景-信號(hào)光子比(BSR;RBSR)小于25的條件下恢復(fù)出目標(biāo)物體的三維圖像。對(duì)于背景噪聲這類極其強(qiáng)烈的場(chǎng)景,單光子成像的難點(diǎn)就變成了如何有效地區(qū)分信號(hào)光子和背景噪聲光子。在主動(dòng)成像中,成像系統(tǒng)接收的信號(hào)光子會(huì)在時(shí)間域上聚集在一起,而背景噪聲光子則會(huì)均勻分布在整個(gè)時(shí)間軸上?;谶@個(gè)原理,信號(hào)光子可以通過窄的時(shí)間窗口從背景噪聲光子中區(qū)分開。本課題組制備的SNSPI,所有像元的總時(shí)間抖動(dòng)為60 ps,繼承了SNSPD低時(shí)間抖動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。越低的時(shí)間抖動(dòng)意味著可以使用更窄的時(shí)間窗口,從而更有效地去除噪聲光子。本課題組在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了高背景噪聲下(RBSR>100)的單光子成像,并證明了SNSPI低時(shí)間抖動(dòng)在單光子成像中的優(yōu)勢(shì)。

成像裝置

圖7所示為基于SNSPI的主動(dòng)成像系統(tǒng)。一束波長(zhǎng)為1550 nm的亞皮秒激光經(jīng)過準(zhǔn)直器和散射片后,輻照到目標(biāo)物體上。為了模擬背景噪聲,將一束波長(zhǎng)為1550 nm的連續(xù)光直接照射到器件上。兩個(gè)級(jí)聯(lián)的帶通濾波器,可以在0.2~12 μm范圍內(nèi)提供一個(gè)以1550 nm為中心、寬度為12 nm的光學(xué)通帶,從而可以在實(shí)際應(yīng)用中濾除掉大部分背景光子噪聲。該成像系統(tǒng)中的紅外相機(jī)用于在實(shí)驗(yàn)中幫助SNSPI找到目標(biāo)物體的位置,并不參與實(shí)際成像。

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圖7 單光子成像系統(tǒng)

圖像重構(gòu)方法

單光子成像器可以捕捉到每個(gè)光子的時(shí)間和空間信息,但是直接的成像并沒有最大化地利用這些信息,導(dǎo)致成像質(zhì)量差,甚至在噪聲的影響下無(wú)法獲取圖像信息。一方面,傳統(tǒng)的光子計(jì)數(shù)成像中,利用對(duì)光子進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的累加,使用光子數(shù)來(lái)表征圖像的強(qiáng)度,利用光子的平均飛行時(shí)間來(lái)表征物體的深度。當(dāng)光衰弱到每個(gè)像素只有幾個(gè)光子時(shí),在強(qiáng)泊松噪聲的影響下,這樣的方法就失效了。此外,單光子成像器對(duì)信號(hào)光子和噪聲光子的采集是不加區(qū)分的,背景噪聲光子的存在進(jìn)一步降低了所獲圖像的信噪比。因此,需要利用好成像過程的數(shù)學(xué)模型以及一些物體的先驗(yàn)知識(shí),最大化地利用單光子的時(shí)空信息,才能重構(gòu)出清晰的目標(biāo)圖像。

如圖8所示,圖像的三維重構(gòu)過程分為三大步。第一步,對(duì)所有探測(cè)到的光子時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到一個(gè)1 ns寬的時(shí)間門,并除去這個(gè)時(shí)間門之外的所有光子。這一步可以消除98%的噪聲光子,從而產(chǎn)生一個(gè)新的點(diǎn)云Φ?。第二步,為每一個(gè)像素找到一個(gè)合適的窄的時(shí)間門用于去除噪聲,從而形成一個(gè)新的點(diǎn)云Φ?,即三維切片去噪算法(3D slicing denoising algorithm)。第三步,從去噪后的數(shù)據(jù)中,利用一些成熟的圖像重構(gòu)算法重構(gòu)出物體的強(qiáng)度和深度圖像。

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圖8 算法處理框圖

成像結(jié)果分析

在不同的BSR下重復(fù)了單光子成像實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中,信號(hào)光子水平保持在平均一個(gè)像素內(nèi)包含一個(gè)光子,通過評(píng)估強(qiáng)度圖的峰值信噪比(PSNR)和深度圖的平均絕對(duì)誤差(MAE)來(lái)判斷不同背景噪聲下的成像效果。從圖9可以看到,隨著BSR的增大,PSNR減小,MAE也減小。

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圖9 暗計(jì)數(shù)率

結(jié)論

超導(dǎo)納米線延遲線單光子成像器件是一種新型的超導(dǎo)單光子探測(cè)器,它利用超導(dǎo)納米線特有的高動(dòng)態(tài)電感構(gòu)建低速微波延遲,通過時(shí)間邏輯的方式,實(shí)現(xiàn)對(duì)光子到達(dá)時(shí)刻和位置的雙重讀取。這種基于超導(dǎo)納米線本身電學(xué)性能實(shí)現(xiàn)的光子位置讀出,避免了使用復(fù)雜低溫?cái)?shù)字電路對(duì)超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器陣列進(jìn)行片上讀取,是一種快速實(shí)現(xiàn)單光子成像的理想器件;同時(shí),這種本征的讀出方式保證了探測(cè)器的性能不受讀出電路的影響,保留了超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器低時(shí)間抖動(dòng)的優(yōu)勢(shì)。因此,SNSPI非常適合基于光子飛行時(shí)間測(cè)量的單光子成像應(yīng)用。目前,SNSPI的探測(cè)效率還受制于傳輸線結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的低占空比以及缺少集成的光學(xué)諧振腔,需要通過同時(shí)優(yōu)化微波和光學(xué)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)探測(cè)效率的提升。成像速度、探測(cè)器面積等方面還有很大的提升空間,需要從高性能超導(dǎo)納米線制備、低溫脈沖信號(hào)放大、高速時(shí)間測(cè)量等方面繼續(xù)優(yōu)化。SNSPI基于時(shí)間延遲的讀出方式,無(wú)法實(shí)現(xiàn)多光子同時(shí)到達(dá)事件的測(cè)量,這將影響SNSPI在較強(qiáng)光輻照下的成像效果。通過分析輸出波形的特征,能夠做到少數(shù)光子數(shù)的分辨,但實(shí)際應(yīng)用時(shí),需要匹配高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器。另外,結(jié)合SNSPI探測(cè)模型的圖像重構(gòu)算法的優(yōu)化,也是提升系統(tǒng)成像能力的關(guān)鍵技術(shù)之一。

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    Single Quantum<b class='flag-5'>超導(dǎo)納米線</b><b class='flag-5'>單</b><b class='flag-5'>光子</b>探測(cè)器最新應(yīng)用<b class='flag-5'>進(jìn)展</b>

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    自2001年被發(fā)明以來(lái),超導(dǎo)納米線光子探測(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%,
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    <b class='flag-5'>超導(dǎo)</b><b class='flag-5'>單</b><b class='flag-5'>光子</b>探測(cè)器在生物領(lǐng)域中的應(yīng)用<b class='flag-5'>進(jìn)展</b>綜述

    基于超導(dǎo)納米線光子探測(cè)器的40萬(wàn)像素相機(jī)提供前所未有的宇宙視野

    一臺(tái)基于超導(dǎo)納米線光子探測(cè)器(SNSPD)的40萬(wàn)像素相機(jī)為天文學(xué)和量子技術(shù)應(yīng)用提供了前所未有的低噪聲、高分辨率成像能力。在探索遙遠(yuǎn)恒星和系外行星等微弱天體的過程中,捕捉每一個(gè)
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