超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器(SNSPD：Superconductingnanowiresingle-photondetector)作為一種高性能的單光子探測(cè)器，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于量子信息、激光雷達(dá)、深空通信等領(lǐng)域，有力推動(dòng)了相關(guān)領(lǐng)域的科技進(jìn)步。然而，迄今為止，所有的SNSPD都只在地面實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用驗(yàn)證，包括美國(guó)NASA2013年的月地激光通信LLCD項(xiàng)目，也是在地面接收站使用了超導(dǎo)單光子探測(cè)器，在衛(wèi)星上不得不使用了性能較差的半導(dǎo)體單光子探測(cè)器。如果能夠在空間應(yīng)用中采用SNSPD，有望實(shí)現(xiàn)空間光通信技術(shù)的跨越式發(fā)展，大幅提升深空激光通信和量子通信的距離和成碼率。而制約SNSPD空間應(yīng)用的主要因素是制冷技術(shù)。
面向空間應(yīng)用的SNSPD系統(tǒng)創(chuàng)意圖
SNSPD通常需要在液氦(4.2K)以下溫區(qū)工作，典型的解決方案是采用商用的G-M二級(jí)閉合循環(huán)制冷機(jī)。包括上海賦同科技有限公司在內(nèi)全球6家公司SNSPD商業(yè)化產(chǎn)品都采用類似的制冷技術(shù)。然而這類制冷機(jī)由于采用了油壓縮機(jī)，冷頭有運(yùn)動(dòng)部件；而且受到這類制冷機(jī)體積、重量功耗制約，使得這類制冷機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)空間應(yīng)用。
面向空間應(yīng)用對(duì)高性能單光子探測(cè)技術(shù)的需求，全球科研人員一直在努力發(fā)展面向空間應(yīng)用的小型液氦溫區(qū)制冷機(jī)技術(shù)，并期望將其和高性能SNSPD結(jié)合。2017年1月，美國(guó)NIST最先報(bào)道了一個(gè)基于三級(jí)脈管加JT節(jié)流技術(shù)的小型制冷機(jī)，然而JT的壓縮機(jī)尚未成功研制，且未能實(shí)現(xiàn)SNSPD的性能測(cè)試【IEEETransonApplSupercond27:9500405(2017)】。2017年9月，英國(guó)Glasgow大學(xué)報(bào)道了一個(gè)基于斯特林+JT節(jié)流技術(shù)的小型制冷機(jī)，該制冷機(jī)可以滿足空間應(yīng)用需求，但是最低溫度只能達(dá)到4.2K。利用該制冷機(jī)研究人員實(shí)現(xiàn)了正常工作的SNSPD(1310nm波長(zhǎng)/暗計(jì)數(shù)KHz/探測(cè)效率僅20%)，但是性能非常有限，和半導(dǎo)體探測(cè)器性能相當(dāng)【SupercondSciandTech30:11lt01(2017)】。
2017年起，中科院上海微系統(tǒng)所/中科院超導(dǎo)電子學(xué)卓越創(chuàng)新中心尤立星團(tuán)隊(duì)和中科院理化所梁驚濤團(tuán)隊(duì)通力合作，開展面向空間應(yīng)用的SNSPD系統(tǒng)研發(fā)。理化所成功研發(fā)了可實(shí)現(xiàn)空間應(yīng)用的二級(jí)脈管+JT節(jié)流技術(shù)小型制冷機(jī)，最低無(wú)負(fù)載工作溫度可達(dá)到2.6K。安裝上海微系統(tǒng)所研制的SNSPD器件后，最低工作溫度達(dá)到2.8K。在此溫度下，國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了1550nm工作波長(zhǎng)，最高系統(tǒng)探測(cè)效率超過(guò)50%。在100Hz暗計(jì)數(shù)下，系統(tǒng)探測(cè)效率達(dá)到47%，且抖動(dòng)只有48ps。性能大幅超越傳統(tǒng)的半導(dǎo)體探測(cè)器。相關(guān)成果近日發(fā)表于OpticsExpress【OE26(3):2965-2971.(2018)】。該結(jié)果有望為我國(guó)下一代量子衛(wèi)星、深空激光通信等空間應(yīng)用提供高性能單光子探測(cè)器解決方案。
該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“高性能單光子探測(cè)技術(shù)”(2017YFA0304000)、中科院交叉創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(超導(dǎo)單光子探測(cè)創(chuàng)新交叉團(tuán)隊(duì))、自然科學(xué)基金以及上海市科委等項(xiàng)目資助。
