上海微系统所：给超导纳米线单光子探测器插上翅膀超导纳米线单光子探测器有望为我国下一

超导纳米线单光子探测器（SNSPD：Superconducting nanowire single-photon detector）作为一种高性能的单光子探测器，已经广泛的应用于量子信息、激光雷达、深空通信等领域，有力推动了相关领域的科技进步。然而，迄今为止，所有的SNSPD 都只在地面实现了应用验证，包括美国NASA 2013 年的月地激光通信LLCD 项目，也是在地面接收站使用了超导单光子探测器，在卫星上不得不使用了性能较差的半导体单光子探测器。如果能够在空间应用中采用SNSPD，有望实现空间光通信技术的跨越式发展，大幅提升深空激光通信和量子通信的距离和成码率。而制约SNSPD 空间应用的主要因素是制冷技术。

SNSPD 通常需要在液氦（4.2K）以下温区工作，典型的解决方案是采用商用的G-M 二级闭合循环制冷机。包括上海赋同科技有限公司在内全球6家公司SNSPD 商业化产品都采用类似的制冷技术。然而这类制冷机由于采用了油压缩机，冷头有运动部件；而且受到这类制冷机体积、重量功耗制约，使得这类制冷机无法实现空间应用。

面向空间应用对高性能单光子探测技术的需求，全球科研人员一直在努力发展面向空间应用的小型液氦温区制冷机技术，并期望将其和高性能SNSPD 结合。2017年1月，美国NIST 最先报道了一个基于三级脉管加JT 节流技术的小型制冷机，然而JT的压缩机尚未成功研制，且未能实现SNSPD 的性能测试【IEEE Trans on Appl Supercond 27: 9500405 (2017)】。2017年9月，英国Glasgow 大学报道了一个基于斯特林+JT 节流技术的小型制冷机，该制冷机可以满足空间应用需求，但是最低温度只能达到4.2K。利用该制冷机研究人员实现了正常工作的SNSPD（1310 nm波长/暗计数KHz/探测效率仅20%），但是性能非常有限，和半导体探测器性能相当【Supercond Sci and Tech 30: 11lt01 (2017)】。

2017年起，中科院上海微系统所/中科院超导电子学卓越创新中心尤立星团队和中科院理化所梁惊涛团队通力合作，开展面向空间应用的SNSPD 系统研发。理化所成功研发了可实现空间应用的二级脉管+JT 节流技术小型制冷机，最低无负载工作温度可达到2.6 K。安装上海微系统所研制的SNSPD 器件后，最低工作温度达到2.8K。在此温度下，国际上首次实现了1550nm工作波长，最高系统探测效率超过50%。在100Hz暗计数下，系统探测效率达到47%，且抖动只有48 ps。性能大幅超越传统的半导体探测器。相关成果近日发表于Optics Express 【OE 26(3): 2965-2971. (2018)】。该结果有望为我国下一代量子卫星、深空激光通信等空间应用提供高性能单光子探测器解决方案。

该工作得到了国家重点研发计划项目“高性能单光子探测技术”（2017YFA0304000）、中科院交叉创新团队（超导单光子探测创新交叉团队）、自然科学基金以及上海市科委等项目资助。

延伸阅读：

《CMOS图像传感器产业现状-2017版》

《非制冷红外成像技术与市场趋势-2017版》