顆粒在線訊：近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所尤立星/李浩團(tuán)隊、陶虎團(tuán)隊，聯(lián)合上海交通大學(xué)王增琦團(tuán)隊，結(jié)合超導(dǎo)納米線單光子探測技術(shù)、雙光子3D打印編碼濾波技術(shù)、計算重構(gòu)技術(shù)等實現(xiàn)單光子計數(shù)型光譜分析儀。相關(guān)成果以Superconducting Single-Photon Spectrometer with 3D-Printed Photonic-Crystal Filters為題，在線發(fā)表在ACS Photonics上，并被選為當(dāng)期副封面論文。

　　光譜作為物質(zhì)的指紋，是人類認(rèn)知世界的有效手段，在科學(xué)研究、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域已有了較為普遍的應(yīng)用。目前，單光子源表征、熒光探測、分子動力學(xué)、電子精細(xì)結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域的光譜測量已達(dá)到量子水平，例如，生物、化學(xué)和納米材料領(lǐng)域需要對單個原子、分子、雜質(zhì)等微弱光譜進(jìn)行探測分析。這些光譜覆蓋范圍廣、強(qiáng)度弱，因而對寬譜、高靈敏度、高分辨率的光譜探測器存在迫切需求。傳統(tǒng)的半導(dǎo)體探測器如光電倍增管（PMT）、雪崩二極管（SPAD）等雖然實現(xiàn)了單光子靈敏度的探測，但存在近紅外探測效率低、噪聲大、探測譜寬有限等問題。近年來，快速發(fā)展起來的超導(dǎo)納米線單光子探測器（SNSPD）因高效率（>90%）、低暗計數(shù)（<0.1cps）、低抖動（~3ps ）、寬譜（可見～紅外）的優(yōu)異性能，在眾多領(lǐng)域得到應(yīng)用。將SNSPD集成到光譜分析儀中，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)極弱光的光譜測量，而且具備非常寬的工作范圍，在量子信息技術(shù)、天文光譜、分子光譜等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。 

　　該工作中，合作團(tuán)隊利用超導(dǎo)單光子探測器的高效、寬譜等性能優(yōu)勢，設(shè)計制備4*4陣列型偏振不敏感超導(dǎo)單光子探測器，借助雙光子3D打印技術(shù)的靈活性在每個探測器像元上制備光子晶體編碼濾波器，通過分析探測像元光譜響應(yīng)特性等建立了計算光譜重構(gòu)問題的數(shù)學(xué)模型，最終實現(xiàn)光子計數(shù)型光譜分析儀。該光譜分析儀工作范圍覆蓋1200~1700nm，靈敏度達(dá)到-108.2dBm，分辨率為~5nm。與當(dāng)前商業(yè)光譜儀的靈敏度（一般靈敏度在-60~90dBm）相比，有兩個數(shù)量級以上的提升，為單光子源表征、前沿天文光譜學(xué)、熒光成像、遙感、波分復(fù)用量子通信等微弱光譜分析領(lǐng)域的研究提供了有效的解決方案。

　　研究得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、上海市量子重大專項、上海市“啟明星”計劃、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會等的支持。 

圖1.集成3D-打印濾波器的超導(dǎo)單光子光譜儀概念圖

圖2.器件結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖

圖3.光譜分析效果圖

來源：上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所