通信波段光子能量和数目可分辨的高效率超导动态电感探测器研究

Photon-number-resolving (PNR) and energy-resolving detectors at telecommunication wavelengths have important applications in a number of frontier fields, such as optical quantum information processing and precision spectroscopy measurement. Superconducting detectors show great promise in serving as the basic building blocks for PNR devices due to their low dark-count rate, high sensitivity and broadband response. One type of superconducting detector with intrinsic PNR and energy-resolving power is the microwave kinetic inductance detector (MKID). MKIDs are easy to fabricate and read out in large arrays. Therefore, MKIDs have mostly been considered for imaging and astronomy applications at sub-millimeter and millimeter wavelengths. In our previous work, we have demonstrated single-photon counting and energy-resolving at 1550 nm with MKIDs for the first time. In this project, we will thoroughly study the geometry and material design of MKID, investigate the noise sources and underlying device physics, and determine the key factors affecting single-photon energy resolution. For the first time, we will design and fabricate MKID with an optical structure, in order to achieve efficient photon absorption and detection. It is expected that our project will provide scalable PNR detectors with high-performance at telecommunication wavelengths, help understanding the microscopic mechanism for photon absorption in a thin superconducting film, produce pioneering experimental results, and push our PNR MKID performance to an internationally leading level.

通信波段可分辨光子能量和数目的单光子探测器在光量子信息处理和光谱精密测量等领域有重要应用. 超导探测器因低暗计数率, 宽响应频谱等优势, 成为实现光子数可分辨(PNR)探测器的主要方案之一. 其中一种具备内禀光子能量和数目分辨能力的超导探测器是微波动态电感探测器(MKID), 其优势在于容易加工和扩展成阵列并读取, 目前主要应用于毫米和亚毫米波段的成像和天文探测. 在前期工作中, 我们首次展示了MKID在1550 nm波段的光子计数和能量分辨. 本项目将深入研究MKID的几何和材料设计, 探索器件噪声起源和相关物理, 确定影响单光子能量分辨率的因素; 首次研制光学腔结构MKID, 实现高效率的光子吸收和探测. 通过本项目研究, 有望为通信波段提供一种高性能且易集成的PNR探测器方案, 帮助理解光子和超导薄膜器件的微观作用机理, 获得开创性的研究成果和国际领先的探测器性能.

通信波段可分辨光子能量和数目的单光子探测器在光量子信息处理和光谱精密测量等领域有重要应用. 超导探测器因低暗计数率, 宽响应频谱等优势, 成为实现光子数可分辨(PNR)探测器的主要方案之一. 其中一种具备内禀光子能量和数目分辨能力的超导探测器是微波动态电感探测器(MKID). 本项目的主要研究目标是在通信波段研制高效率的可分辨光子数目和光子能量的MKID, 并探索相关的器件物理. 本项目近4年的主要研究成果如下:.(1). 基于自主微加工技术成功研制超导Al MKID, 在1550 nm/1064 nm波段实现了11个光子的分辨, 在850 nm波段实现了13个光子的分辨, 该指标是目前MKID在光子计数实验中的最好水平; 1550 nm单光子能量分辨率达到0.25 eV; 利用自研光纤对准技术和非极化敏感的电感条旋绕结构, 在无光学腔结构的Al MKID中实现了大于1%的总探测效率; 研究了各种因素对可分辨光子数和单光子能量分辨率的影响..(2). 设计和制备了光学腔结构的高吸收Al膜. 通过将薄铝放置在减反膜和电介质分布式布拉格反射镜(DBR)之间, 在近红外波段实现了接近100%的窄带吸收, 以及大于70%的宽带吸收..(3). 系统研究了超导Al谐振器在时域上的光子脉冲响应, 发展了一套方法可以准确解释光子脉冲曲线, 并可以反推激发准粒子在时域上的复合和空间上的扩散过程, 从而得到准粒子在超导薄膜中的扩散系数. 这为研究超导器件中的准粒子动力学和设计光子计数动态电感探测器提供了一种通用方法..(4). 提出一种新的超导谐振器的电路分析和拟合方法, 可在非阻抗匹配的条件下准确得到器件的谐振频率和品质因数; 进而拓展到高功率下非线性谐振器的传输曲线处理, 研究了不同电感尺寸的集总结构超导谐振器的非线性行为, 可以准确预测对探测器信噪比至关重要的非线性功率..至本报告提交日为止, 已发表相关SCI论文10篇, 授权国家发明专利1项; 本项目参与培养博士研究生5名, 硕士研究生7名; 以本项目研究内容为主, 项目负责人及学生参加国内会议2次, 参加国际会议2次.