| cyqdesign |
2021-06-01 11:54 |
面向空間應用的超導單光子探測技術(shù)研究獲進展
近日，中國科學院理化技術(shù)研究所梁驚濤團隊與中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所尤立星團隊合作，在面向空間應用的超導單光子探測器（SNSPD）技術(shù)領域取得進展，實現(xiàn)了通信波段最大探測效率93%的新紀錄，為我國開展基于超導單光子探測器的深空通信、空間量子信息等應用奠定了基礎。5月20日（北京時間），相關(guān)研究成果以《系統(tǒng)探測效率達到93%的基于可空間應用制冷機的超導單光子探測器（Superconducting single-photon detector with a system efficiency of 93% operated in a 2.4 K space-application compatible cryocooler）》為題，以快報（Letter）形式，在線發(fā)表在Superconductor Science and Technology上。 2]of 4
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超導納米線單光子探測器（SNSPD：Superconducting nanowire single-photon detector）作為高性能的單光子探測器，廣泛地應用于量子信息、激光雷達、深空通信等領域，推動了相關(guān)領域的科技進步。迄今為止，所有的SNSPD均只在地面實現(xiàn)應用驗證。如果能在空間應用中采用SNSPD，有望推動空間光學天文觀測、深空光通信、空間量子信息等技術(shù)的跨越式發(fā)展。而制約SNSPD空間應用的主要因素是制冷技術(shù)。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二級閉合循環(huán)制冷機。然而，這類制冷機采用油潤滑壓縮機，冷頭有運動部件，且受到體積、重量功耗制約，無法實現(xiàn)空間應用。 ^ YOC HXg
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瞄準空間應用對高性能單光子探測技術(shù)的迫切需求，科研人員發(fā)展面向空間應用的小型液氦溫區(qū)制冷機技術(shù)，并期望將其和高性能SNSPD結(jié)合以實現(xiàn)可空間應用的高性能SNSPD系統(tǒng)。2017年1月，美國國家標準與技術(shù)研究院（NIST）首次報道基于三級脈管加JT節(jié)流技術(shù)的小型制冷機，其JT的壓縮機尚未成功研制【IEEE Trans on Appl Supercond 27: 9500405 (2017)】。2017年9月，英國格拉斯哥大學報道了可空間應用的基于斯特林+JT節(jié)流技術(shù)的小型制冷機，最低溫度只能達到4.2K。利用該制冷機實現(xiàn)了SNSPD系統(tǒng)，但性能有限（1310nm波長/暗計數(shù)KHz/探測效率僅20%），與半導體探測器性能相當【Supercond Sci and Tech 30: 11lt01 (2017)】。理化所梁驚濤團隊和上海微系統(tǒng)所尤立星團隊合作開展面向空間應用的SNSPD系統(tǒng)研發(fā)。理化所研發(fā)出可實現(xiàn)空間應用的二級脈管+JT節(jié)流技術(shù)小型制冷機，最低無負載工作溫度可達到2.6K，微系統(tǒng)所研發(fā)了出高性能的SNSPD。團隊聯(lián)合攻克一系列集成技術(shù)難題后，首次實現(xiàn)了1550nm工作波長探測效率超過50%的SNSPD系統(tǒng)【Optics Express 26: 2965 (2018)】，展示了SNSPD相對于傳統(tǒng)半導體單光子探測器在空間應用中的性能優(yōu)勢及潛力。 y`,;m#frT
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2020年，理化所依托在空間制冷領域的持續(xù)技術(shù)創(chuàng)新，進一步優(yōu)化制冷機，降低制冷機的體積和最低工作溫度（圖1）。同時，上海微系統(tǒng)所利用三明治結(jié)構(gòu)超導納米線實現(xiàn)SNSPD 98%的效率紀錄【Optics Express 28: 36884 (2020)】。雙方在此基礎上再次合作，實現(xiàn)了最大探測效率93%的可空間應用的超導單光子探測系統(tǒng)（圖2），刷新了我國保持了兩年多的系統(tǒng)探測效率紀錄。該成果對于SNSPD的空間應用具有廣泛而深遠的意義。 9| g]M:{
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