上海微系统所实现集成3D打印编码滤波器的超导单光子光谱仪

　　【仪表网 仪表研发】近日，中科院上海微系统所尤立星、李浩团队，陶虎团队以及上海交通大学王增琦团队合作，结合超导纳米线单光子探测技术、双光子3D打印编码滤波技术、计算重构技术等实现单光子计数型光谱分析仪。相关成果以“Superconducting Single-Photon Spectrometer with 3D-Printed Photonic-Crystal Filters”为题于2022年9月27日在线发表在中科院一区学术期刊ACS Photonics上，并被选为当期副封面论文。
 

图1 集成3D-打印滤波器的超导单光子光谱仪概念图
 

　　光谱作为物质的指纹，是人类认知世界的有效手段，在科学研究、生物医药等领域已经有了较为普遍的应用。目前，在单光子源表征、荧光探测、分子动力学、电子精细结构等领域的光谱测量，已经达到了量子水平，例如，在生物、化学和纳米材料领域需要对单个原子、分子、杂质等微弱光谱进行探测分析，这些光谱覆盖范围广，强度弱，因此，对宽谱、高灵敏度、高分辨率的光谱探测器存在迫切需求。
 

　　传统的半导体探测器如光电倍增管(PMT)、雪崩二极管(SPAD)等虽然实现了单光子灵敏度的探测，但是存在近红外探测效率低，噪声大，探测谱宽有限等问题。近年来快速发展起来的超导纳米线单光子探测器(SNSPD)因其高效率(>90%)、低暗计数(<0.1cps)、低抖动(~3ps )、宽谱(可见～红外)的优异性能，在众多领域都得到了应用。将SNSPD集成到光谱分析仪中，不仅能够实现极弱光的光谱测量，还具备非常宽的工作范围，在量子信息技术、天文光谱、分子光谱等领域具有重要的应用价值。
 

图2 器件结构及工作原理示意图
 

　　该工作中，合作团队利用超导单光子探测器的高效、宽谱等性能优势，首先设计制备4*4阵列型偏振不敏感超导单光子探测器，然后借助双光子3D打印技术的灵活性在每个探测器像元上制备光子晶体编码滤波器，最后通过分析探测像元光谱响应特性等建立了计算光谱重构问题的数学模型，最终实现光子计数型光谱分析仪。
 

　　文中该光谱分析仪工作范围覆盖 1200~1700nm，灵敏度达到-108.2dBm，分辨率~5nm。相比当前商业光谱仪的灵敏度(一般灵敏度在-60~90dBm),具有两个数量级以上的提升，为单光子源表征、前沿天文光谱学、荧光成像、遥感、波分复用量子通信等微弱光谱分析领域的研究提供了有效的解决方案。
 

图3 光谱分析效果图
 

　　论文第一作者为上海微系统所博士研究生肖游，第二作者为上海微系统所博士研究生维帅，第三作者为上海交通大学徐佳佳。通讯作者为上海微系统所陶虎研究员、李浩研究员、尤立星研究员。该研究得到了国家自然科学基金(61971408 、61827823), 重点研发计划 (2017YFA0304000), 上海市量子重大专项 (2019SHZDZX01), 上海市启明星(20QA1410900)以及中科院青促会 (2020241、2021230)等项目的支持。论文致谢清华大学张巍教授、郑敬元博士的讨论。论文链接见https://doi.org/10.1021/acsphotonics.2c01097。