【ZiDongHua 之“自動(dòng)化學(xué)院派”收錄關(guān)鍵詞： 機(jī)器學(xué)習(xí) 光探測器 微弱光光譜分析技術(shù)】
　　
　　文章導(dǎo)讀｜綜述：超導(dǎo)納米線單光子探測器助力微弱光光譜分析 -《電磁科學(xué)》
　　
　　導(dǎo)　　讀
　　
　　光譜分析是人類認(rèn)識和探索物質(zhì)世界的重要手段。面向微弱光的高靈敏光譜分析不僅是推動(dòng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的重要實(shí)驗(yàn)技術(shù)，也為光譜信息應(yīng)用拓展出更廣闊的空間，在天文觀測、遙感測量、生物醫(yī)學(xué)和材料研究等科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。
 
 
　　
　　提升光探測器的靈敏度是提升微弱光條件下光譜分析性能最直接和有效的方法。超導(dǎo)納米線單光子探測器（Superconducting Nanowire Single-Photon Detector, 簡稱SNSPD）是一類靈敏度極高的光探測器，具備對單個(gè)光子進(jìn)行高效探測與計(jì)數(shù)測量的能力，為微弱光光譜分析提供了新的技術(shù)手段，近年來受到廣泛關(guān)注。
　　
　　清華大學(xué)電子工程系黃翊東教授、張巍教授團(tuán)隊(duì)在Electromagnetic Science期刊發(fā)表了綜述論文“Photon-Counting Spectrometers Based on Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors”，系統(tǒng)介紹了利用SNSPD實(shí)現(xiàn)光子計(jì)數(shù)光譜儀的原理和方法，以及近年來該技術(shù)的重要進(jìn)展和發(fā)展方向。
 
　　
　　Citation: Mingzhong Hu, Jingyuan Zheng, Kaiyu Cui, et al., “Photon-counting spectrometers based on superconducting nanowire single-photon detectors,” Electromagnetic Science, vol. 2, no. 3, article no. 0070191, 2024.
　　
　　DOI: 10.23919/emsci.2024.00191
　　
　　光譜儀的數(shù)學(xué)模型和分類
　　
　　實(shí)現(xiàn)光譜分析功能的儀器稱為光譜儀，它通過光學(xué)測量得到待測光在不同波長（或頻率）處的光強(qiáng)分布。各種類型的光譜儀都可以通過圖1（a）所示的數(shù)學(xué)模型來描述：待測光經(jīng)過光譜儀光學(xué)系統(tǒng)后被光探測器陣列探測，光學(xué)系統(tǒng)對每個(gè)探測器的波長響應(yīng)加載不同的調(diào)制。這里，波長響應(yīng)是指光探測器在不同波長的單色光入射下光強(qiáng)和探測輸出信號之間的關(guān)系。實(shí)際光譜分析中，根據(jù)各光探測器的輸出信號和預(yù)先標(biāo)定的波長響應(yīng)，即可計(jì)算恢復(fù)出待測光的光譜。這一簡單的模型可以描述傳統(tǒng)的光柵分光型光譜儀和傅里葉變換光譜儀的原理。這兩類光譜儀具有完全不同的光學(xué)系統(tǒng)，相應(yīng)的光探測器波長響應(yīng)如圖1（b）和（c）所示，分別呈現(xiàn)出分立的窄帶響應(yīng)和正弦函數(shù)型響應(yīng)。
　　
　　近年來，重建式光譜儀發(fā)展迅速。這類光譜儀往往通過光學(xué)芯片為光探測器的波長響應(yīng)加載相關(guān)性低的隨機(jī)調(diào)制，如圖1（d）所示。借助壓縮感知和機(jī)器學(xué)習(xí)等算法，這種光譜分析技術(shù)可以利用很少數(shù)目的光探測器實(shí)現(xiàn)較多波長采樣點(diǎn)數(shù)的光譜測量和重建，提高了光譜儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性，并有助于實(shí)現(xiàn)光譜儀的小型化與芯片集成。
 
　　
　　圖1 光譜儀的數(shù)學(xué)模型和分類 
　　
　　（a）光譜儀的數(shù)學(xué)模型（b）窄帶濾波或光柵分光型光譜儀的波長響應(yīng)（c）傅里葉變換光譜儀的波長響應(yīng)（d）重建式光譜儀的波長響應(yīng)
　　
　　2SNSPD的機(jī)理和優(yōu)勢
　　
　　SNSPD中的超導(dǎo)納米線常用材料包括NbN、NbTiN、WSi等，典型厚度為幾個(gè)納米，寬度在百納米左右。SNSPD實(shí)現(xiàn)單光子探測的機(jī)理源自超導(dǎo)納米線吸收單光子后超導(dǎo)狀態(tài)的改變。自2001年被提出以來，SNSPD的性能不斷提升，已具備寬工作波段（覆蓋從可見光波段到中紅外波段）、近理想探測效率和極低暗計(jì)數(shù)（<10-4Hz）等優(yōu)異性能，在量子通信、量子計(jì)算和量子傳感等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)，超導(dǎo)納米線的薄膜結(jié)構(gòu)適合集成到各類微納光學(xué)芯片上，為發(fā)展新型微弱光光譜分析技術(shù)提供了新的技術(shù)途徑。
　　
　　為直觀展示SNSPD在靈敏度方面的優(yōu)勢，文中計(jì)算并比較了包括SNSPD在內(nèi)多種類型高靈敏度光探測器，在不同光子流密度下經(jīng)過1秒曝光時(shí)間能夠達(dá)到的探測信噪比（如圖2所示）。結(jié)果表明在可見光波段和近紅外波段，SNSPD表現(xiàn)均接近理想探測器（無暗計(jì)數(shù)，信噪比僅受限于泊松統(tǒng)計(jì)抖動(dòng)）。尤其在近紅外波段，相對于常用的InGaAs雪崩二極管單光子探測器和焦平面陣列，SNSPD在靈敏度上有明顯優(yōu)勢。
 
　　
　　圖2 不同類型光探測器的靈敏度比較
　　
　　3基于SNSPD的光子計(jì)數(shù)光譜儀研究進(jìn)展
　　
　　論文系統(tǒng)綜述了利用SNSPD實(shí)現(xiàn)高性能光子計(jì)數(shù)光譜儀的研究進(jìn)展。目前的工作大體分為兩類，一類采用傳統(tǒng)光譜儀光路，利用分立的SNSPD探測系統(tǒng)超高的探測靈敏度提升光譜儀性能。比如，將待測光經(jīng)過單色儀或波長調(diào)諧濾波器后送入SNSPD探測，通過波長掃描實(shí)現(xiàn)光譜分析功能，此類光譜儀已在微觀物理研究和大氣監(jiān)測中得到實(shí)際應(yīng)用。
　　
　　另一類通過將SNSPD的超導(dǎo)納米線與微納光學(xué)結(jié)構(gòu)集成在同一芯片實(shí)現(xiàn)光譜儀分析功能。通過在芯片上實(shí)現(xiàn)羅蘭圓或陣列波導(dǎo)光柵等傳統(tǒng)分光濾波結(jié)構(gòu)和SNSPD（陣列）集成，可省去傳統(tǒng)光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)，簡化SNSPD的應(yīng)用。更進(jìn)一步地引入重建式光譜儀的概念，通過片上微納結(jié)構(gòu)對共同集成的SNSPD實(shí)現(xiàn)低相關(guān)性的波長響應(yīng)調(diào)制，可更加靈活地實(shí)現(xiàn)基于壓縮感知的光譜分析器件。目前有多種光學(xué)結(jié)構(gòu)和物理機(jī)制可用于對片上SNSPD的波長響應(yīng)進(jìn)行靈活調(diào)制，包括隨機(jī)散射結(jié)構(gòu)，光學(xué)超表面，超導(dǎo)納米線級聯(lián)吸收和偏置電流調(diào)控等。圖3給出了一個(gè)典型器件的示意圖和樣品顯微鏡照片。在這個(gè)器件中SNSPD陣列的超導(dǎo)納米線被制備在光學(xué)超表面陣列的微孔間隙中，不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的光學(xué)超表面為SNSPD帶來不同的波長響應(yīng)調(diào)制。
 
　　
　　圖3 基于光學(xué)超表面的重建式SNSPD光譜儀
　　
　?。╝）器件示意圖（b）電子顯微鏡下樣品照片
　　
　　總結(jié)與展望
　　
　　論文綜述表明SNSPD的高靈敏度特性在微弱光光譜分析應(yīng)用上有巨大潛力，片上微納光學(xué)結(jié)構(gòu)和SNSPD的結(jié)合為發(fā)展重建式SNSPD光譜儀提供了廣闊的機(jī)理和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新空間。通過在光子計(jì)數(shù)光譜分析理論，單光子探測光譜分析器件和面向計(jì)數(shù)測量的光譜重建算法等方面進(jìn)一步的深入研究，可以預(yù)見SNSPD將助力微弱光光譜分析技術(shù)不斷提升性能，拓展應(yīng)用，推動(dòng)人類科學(xué)探索和技術(shù)進(jìn)步。