远距离激光雷达和激光通信，要求单光子探测器同时具有大光敏面和高速度的特点。由于超导纳米线存在动态电感，超导纳米线单光子探测器（SNSPD）的探测速率与光敏面积指标相互制约，常用的方法是通过多元纳米线结构提升速度和面积。此外，在实际的大口径光学接收系统中，通常采用多模光纤进行光传输，其存在的散斑效应会导致光强空间分布不均，严重制约阵列SNSPD的整体性能。
近日，课题组报道了一种大光敏面、高速度超导单光子探测技术，通过高度均匀的16元纳米线，实现了62.5微米多模光纤耦合和1.3Gcps探测速度。相关成果发表在APL Photonics 10, 106113 (2025)，博士生谭静柔和李昊辰为本文共同第一作者，博士生张雨曈等参与相关工作，张蜡宝教授为本文通信作者。
图1 本文设计的器件结构及其各纳米线超导电流测量结果
如图1，该SNSPD具有16像元和完全缠绕式结构。超导纳米线材料采用氮化铌（NbN）材料，光敏面面积为22 μm×22 μm，通过双透镜光束压缩模块与62.5 μm芯径的多模光纤实现高效耦合。为克服多模光纤散斑导致的光响应不均匀问题，我们将16根纳米线设计为完全缠绕的空间排布结构。该结构使得每根纳米线在光敏区域内均经历相似路径，从而确保在散斑场照射下，所有像元能够获得高度一致的吸收光强。器件的电学性能表征显示16个像元具有均匀且优异的电学特性。
本研究首先对完全缠绕式结构可能带来的热串扰效应进行了深入探讨。通过时间相关单光子计数技术，我们定量研究了相邻纳米线之间的热串扰概率。实验发现，热串扰概率主要受被干扰像元自身偏置电流的影响，并且在90% Isw的标准工作点下，热串扰概率仅为1.5×10-4，低至在实际应用和计数率表征中可以忽略不计的水平，证明了该结构在实际工作中的可靠性。
对该器件的光学表征结果表明，该设计成功实现了极为均匀的光响应。在1535 nm工作波长、偏置电流为90% Isw的条件下，16个像元的探测效率分布高度集中，标准差仅为0.136%。整个器件的系统探测效率达到52.3%，而扣除光学系统的传输与耦合损耗后，其本征探测效率高达87.6%。这种高度均匀性是实现器件优异高速性能的关键基础。
图2 制备多元纳米线的热串扰和量子效率
在高速性能方面，该探测器取得了突破性进展。得益于均匀的效率分布以及为每条纳米线集成的片上串联电阻（用于加速电学恢复），探测器在系统效率下降3 dB时的最大计数率（maximum count rate, MCR）达到了1.3 Gcps，且在发生闩锁之前能够实现的最高计数率高达3.1 Gcps。这是国际上首个能够实现Gcps级别的探测速率的多模光纤耦合SNSPD。同时，该器件在仅使用室温放大器的情况下，单个像元的时间抖动低至39.1 ps (FWHM)，展现了优异的时间分辨率。
图3 研制器件的探测速度和时间精度
为评估和验证探测器在真实激光通信场景中的性能，我们建立了一个合并计数率模型。该模型考虑了激光的泊松统计分布以及多个像元输出信号在时间上重合的效应。通过模拟对比均匀、二值、随机及高斯四种不同的光强分布，结果表明，本工作所实现的高度均匀响应分布，能使阵列探测器在1.2 GHz激光重频下获得最优的系统级合并计数率，这对于满足9.6 GHz时隙的8-PPM激光通信等应用需求至关重要。
此外，该16像元探测器天然地具备了光子数分辨能力。通过将16路信号合成，并利用量子探测器层析技术，我们获取了探测器的正算符值测度矩阵∏。该矩阵能够准确地描述探测器对不同光子数入射的响应，使得我们不仅可以分辨最多16个光子，更能根据输出分布反推入射光场的量子态，这为探测器在量子光学实验和量子度量中的应用奠定了基础。
通过与过去三年公开报道的高速SNSPD器件结果对比，本工作是世界上首个仅使用16个通道即可实现超过Gcps探测速率的多模光纤耦合SNSPD，并且在使用室温放大器的条件下，获得了极低的时间抖动。
综上所述，本工作成功研制出国际首款计数率超过Gcps的多模光纤耦合SNSPD。通过完全缠绕式的阵列结构，有效克服了多模光纤散斑带来的光响应不均匀问题，并结合精密的电学与光学设计，在探测效率、计数率、时间抖动等关键性能指标上实现了优异的综合性能。该技术为未来深空激光通信等远距离、高速单光子探测应用提供了一种极具前景的解决方案。
