前沿 | 全光纤单光子探测器

研究背景

      光纤作为一种光子传输媒介，被广泛部署于经典通信领域和量子信息系统中。光纤能够以超低损耗进行长距离光子传输，并且具有“即插即用”的特点，是远距离量子信息传输、量子通信、分布式量子计算机、量子传感等重要应用的关键部件。而传统单光子探测器通常是制备在独立的基底材料上，进行单光子探测时需要将单光子探测器与光纤进行对接，因此存在光纤与探测器或其基底材料界面的接触，容易产生反射、损耗等问题，降低探测效率、工作带宽等重要性能。如果能将单光子探测器直接集成在光纤端面上，就可以解决这些问题。然而由于光纤截面尺寸仅为百微米量级，且易弯曲，采用传统微纳加工工艺难以在光纤端面实现高质量单光子探测器的制备。

论文导读

      近来，南京大学吴培亨院士团队张蜡宝教授课题组和祝世宁院士团队谢臻达教授课题组联合提出了基于“埋入-平面”工艺 （bury-and-planar-fabrication），在单模光纤端面制备出超导纳米线单光子探测器。超导薄膜对衬底有选择性，研究人员采用了高质量非晶超导薄膜MoSi，克服了超导薄膜在光纤端面的生长限制。超导纳米线在实现405nm-1550nm的宽谱响应，同时可以保持低暗计数（< 100 cps），低恢复时间（~ 15ns）。此外，研究人员探讨了优化光纤结构实现单光子探测器的高吸收率，展现了全光纤器件在单光子探测领域的巨大潜力。相关工作以“All-fiber device for single-photon detection”为题于2023年2月7日发表在 PhotoniX 上。论文通讯作者为南京大学电子科学与工程学院张蜡宝教授、谢臻达教授和贾琨鹏副研究员，戴越博士和贾琨鹏副研究员为共同第一作者，论文工作得到了吴培亨院士和祝世宁院士的悉心指导。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金前沿技术项目、广东省重点研发计划、量子科学与技术创新计划、合肥国家实验室、张江实验室、中央高校基础研究经费、江苏省高校优先学术项目发展、江苏省电磁波先进操纵技术重点实验室、江苏省研究生科研创新项目的资助。

技术突破

      光纤是光导纤维，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，利用光在这些纤维中以全内反射原理传输的光传导工具。光纤是一种圆柱形的介质波导，利用全内反射原理来传导光线。由于光纤能够弯曲，不易断裂，损耗低，在量子通信领域中应用广泛。然而，光纤的端面截面积只有微米量级，在其上面直接制备纳米器件非常困难，在超导纳米线单光子探测中还没有发现相关的报道。

      研究人员提出了在光纤端面直接集成超导纳米线单光子探测器，在405 nm至1550 nm波段实现了宽谱响应。相较于传统的超导纳米线单光子探测设计，全光纤器件具有高集成度，避免了额外的光学界面，易于大批量制备等优点，方案对比如图1所示。

      相较于多晶NbN薄膜有明显衬底选择性，非晶超导材料对结构缺陷更具有鲁棒性，对衬底有更强的适应性。研究团队在之前研究中制备出质量与国际前沿水平相当的非晶超导材料MoSi，对MoSi材料的生长有较深的实验分析与条件优化。因此，研究人员采用直流磁控溅射成长出高质量MoSi超导薄膜（Mo 与Si 的比例为4：1），如图2所示。

      另外一方面，研究人员使用“埋入-平面”式工艺在光纤端面进行超导薄膜的生长基础上制备超导纳米线。平面工艺可以突破全光纤器件大规模量产化的瓶颈，电子束曝光确保了纳米线的均匀性、可控性和可重复性。同时，光纤的热传导率极低，保证了低温环境的稳定性，器件制备步骤如下图3所示。

观点评述

      超大规模量子光子回路受连接损耗和传输损耗的困扰。对于需要外部激光器光的大规模量子光子回路，全光纤器件因其低成本和易于稳定制造而成为关键部件有利的竞争者。对于量子计算中对高带宽信息传输的需求，与功能块集成的高带宽单模光纤提供了一个全新的选择。此外，我们设想基于全光纤器件的量子光子回路具有独特的机制，即光纤上的量子光子回路。

主要作者

      戴越，南京大学2020级直博生，研究方向为新型超导纳米线单光子探测器。获“南京大学优秀研究生”、英才奖学金、学业奖学金，主持江苏省研究生科研创新计划项目一项。

       贾琨鹏，南京大学电子科学与工程学院副研究员。主要从事光学微结构材料和非线性光学方向研究。获第八届江苏省光学学会青年光学科技奖、中国光学学会郭光灿光学优秀博士学位论文提名优秀论文等，主持中国博士后科学基金第71批面上资助（一等）、江苏省科协青年科技人才托举工程等项目资助。以第一或通讯作者身份在Physical Review Letters等高水平期刊发表论文11篇。

      谢臻达，南京大学教授，博士生导师。研究方向包括：光量子芯片、微腔光学频率梳、中红外微腔激光器等，曾提出并实现了基于无人机移动平台的纠缠光子分发和光学中继的纠缠光子分发实验，用于移动量子网络构建。获第十八届江苏省青年科技奖“江苏省十大青年科技之星”、2020年教育部高等学校科学研究优秀成果奖一等奖、江苏省“双创个人”等。已在包括National Science Review、Physical Review Letters、Nature Photonics、Nature Communications在内的高水平期刊上发表SCI论文80余篇。

       张蜡宝，南京大学教授，国家级青年人才项目、江苏省青蓝工程中青年学术带头人和南京大学登峰计划B入选者等。主要从事高性能超导单光子探测器研发及其应用研究，主持或参与国家重大科研仪器研制项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目等。

      祝世宁，南京大学教授，中国科学院院士，中国光学学会会士、美国物理学会会士（APS fellow）、美国光学学会会士（OSA fellow）。长期从事微结构功能材料和物理、非线性光学、激光物理与量子光学和量子信息领域的基础和应用研究，曾获国家自然科学一等奖、国家级教学成果二等奖和其他奖项。

     吴培亨，超导电子学专家，中国科学院院士，南京大学教授。曾任中国科学院信息技术科学部副主任、国务院学位委员会学科评议组（物理、天文组）成员、中国电子学会超导电子学会分会主任、南京大学研究生院院长等职。

• PhotoniX 属同行评议、开放获取（OA）高影响力国际期刊。是中国光学工程学会会刊，由中国光学工程学会、上海理工大学和西湖大学共同主办，由Springer Nature集团出版。上海理工大学顾敏院士和西湖大学仇旻教授担任期刊主编，庄松林院士担任期刊名誉主编。期刊拥有强大的国际编委和编辑团队。PhotoniX 主要报道国内外光学与光子学技术与信息、能源、材料、生命、精密制造、纳米、光电子器件、微纳米电子等学科交叉融合发展带来的颠覆性科研成果和最新的工程应用进展。以展现具有前沿性、多学科交叉和衍生性特点的技术为核心，成为推动国际前沿“使能技术”的平台。

• PhotoniX 现已被SCIE、SCOPUS、DOAJ、ProQuest、CNKI、INSPEC、Dimensions等多个数据库收录，并入选《2021年中国科学院文献情报中心期刊分区》。2022年6月获得首个影响因子：19.818，位列Q1区。

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