近日，南京大学吴培亨院士团队张蜡宝教授课题组研制出一种偏振不敏感的高效超导纳米线单光子探测器（SNSPD），通过材料、结构和工艺的融合设计，实现了1530纳米波长97%的系统探测效率和偏振灵敏度低至1.1，并在1490—1640纳米的宽波长范围内将偏振灵敏度保持在1.3以下。相关成果以“Polarization-insensitive high-efficiency superconducting nanowire single-photon detector”为题，发表在国际学术期刊《Optics Express》上，南京大学博士生许鑫和南京航空航天大学费越老师为共同第一作者，张蜡宝教授为通讯作者。
SNSPD通常将超薄超导薄膜通过电子束光刻等工艺加工成纳米线。然而，这种具有各向异性的纳米线结构对不同偏振方向的入射光，即横电（TE）偏振光和横磁（TM）偏振光，具有不同的响应。由于两种偏振光的电场方向相对于纳米线的取向不同，其在纳米线中的光学吸收率存在差异，从而产生偏振依赖。
偏振依赖会影响SNSPD在量子光学实验和实际光学系统中的探测效率稳定性。改变纳米线或微米线结构和加入高折射率介质补偿，是两种主流的降低偏振敏感性的等方法，有效降低了探测效率对入射光偏振态的依赖。然而，受器件材料、结构和制备工艺等因素限制，同时实现高探测效率和低偏振依赖的高性能SNSPD仍然面临挑战。
针对上述问题，研究团队将材料优化与结构设计相结合，对NbN超导薄膜、α-Si减反射层和SiO₂/Ta₂O₅分布式布拉格反射镜进行协同优化，在保留常规单层蜿蜒纳米线结构的同时，同时实现了高探测效率和低偏振依赖。
该器件结构如图1（a）所示，主要包括多层SiO₂/Ta₂O₅交替堆叠的DBR、蜿蜒超导纳米线层和高折射率α-Si减反射层。图1（b）给出了有、无α-Si减反射层时TE和TM偏振吸收率随波长的变化，图1（c）和（d）进一步展示了不同光纤—器件空气间隙下两种偏振吸收率的光谱响应。图2给出了基于严格耦合波分析（RCWA）和有限元方法的仿真和优化器件结果的过程，分析了器件材料及结构参数对TE和TM偏振吸收率的影响。结果表明，经过优化后，TE和TM偏振的吸收率均可超过99%，并在1530—1640纳米波长范围内保持在90%以上。
图1 SNSPD器件结构与光吸收仿真：（a）DBR—ARC堆叠结构的SNSPD示意图；（b）有、无α-Si减反射层时TE和TM偏振吸收率随波长的变化；（c、d）不同光纤—器件空气间隙下TE和TM偏振吸收率随波长的变化。
图2 SNSPD器件协同设计仿真：（a—f）减反射层折射率、厚度和波长对TE、TM偏振吸收率及TE/TM吸收率比的影响；（g、h）NbN薄膜介电常数实部、虚部与两种偏振吸收率之间的关系。
在SNSPD器件制备方面，整个流程沿用了成熟的常规工艺，无需引入特殊的纳米线几何图形。团队首先在硅衬底上沉积8.5对SiO₂/Ta₂O₅介质层，形成DBR；随后采用直流磁控溅射制备7.5纳米厚的NbN超导薄膜，并通过电子束光刻和反应离子刻蚀形成直径16微米、线宽80纳米、周期160纳米的蜿蜒纳米线；最后采用等离子体增强化学气相沉积方法，在300 ℃下沉积218纳米厚的α-Si减反射层，如图3所示。
图3 制备的超导纳米线单光子探测器（SNSPD）：（a、b）器件及纳米线的扫描电子显微镜（SEM）图像；（c、d）器件截面及纳米线的透射电子显微镜（TEM）图像。
在2.1 K工作温度下，团队对SNSPD器件进行了系统表征，如图4所示。首先，在1530纳米波长处，器件的系统探测效率（SDE）达到97%，此时偏振灵敏度（PS＝SDEmax/SDEmin）仅为1.1，表明器件对不同偏振态的响应差异较小。在1490—1640纳米的测试波长范围内，偏振灵敏度始终保持在1.3以下；在1520—1630纳米范围内，最小系统探测效率（SDEmin）仍高于70%。
图4 SNSPD器件关键性能测试：（a）系统探测效率与偏振灵敏度随波长的变化；（b）系统探测效率与暗计数率随偏置电流的变化；（c）器件脉冲响应，恢复时间约为39.5 ns；（d）时间相关单光子计数直方图，系统时间抖动约为63.5 ps。
其次，SNSPD器件表现出良好的时间响应，其恢复时间约为39.5 ns，系统时间抖动约为63.5 ps，以高斯拟合曲线的半高全宽（FWHM）表示。较短的恢复时间有利于器件在光子响应后较快恢复，而较低的时间抖动体现了良好的时间分辨能力。此外，器件表现出较低的暗计数水平。在SDE达到97%的工作点，暗计数率约为280 cps；当SDE为91%时，暗计数率约为100 cps。上述数据均为同一器件的实测结果，且测量过程中未使用低温光学滤波器。
这一成果同时实现了SNSPD的高探测效率和低偏振依赖，兼具“高性能”和“易制备”的特点，在保留常规单层蜿蜒纳米线结构的基础上，通过光学介质层的协同设计，同时实现了高系统探测效率、较低偏振依赖和较宽的工作波长范围，为量子通信、自由空间光通信和单光子成像等对探测效率和偏振响应均有较高要求的应用提供了高性能、易产业化的探测器方案。
论文链接：https://doi.org/10.1364/OE.606061
