吳培亨院士團隊Nature photonics：熱點量化正交時幅復用讀出高效超導納米線單光子成像儀

01、導讀

利用光學傳感和測量來精確獲取單個光子的空間和時間信息已經不斷接近量子極限，這有利于量子成像、低光子通量成像和時間分辨單光子光譜等現代應用。這種傳感檢測能力基于單光子成像儀實現，它往往由單光子探測器陣列和讀出電子器件兩部分組成。目前，科研人員已經研制出各種類型的大型單光子成像儀，例如微波動態電感檢測儀、過渡邊緣傳感器陣列和超導納米線單光子檢測器（SNSPD）陣列等。在近紅外波段的眾多單光子探測器中，超導納米線單光子探測器(SNSPD)因其探測效率高、暗計數率低、計時分辨率高、和光譜響應寬而引人注目。將SNSPD集成至大規模陣列，從而實現上述的高性能成像器，這是當前SNSPD的研究重點。盡管基于超導體的探測器表現出了優異的性能，但開發大規模超導探測器陣列始終是一項麻煩且具有挑戰性的任務，這需要專門的設備和低溫工程，因為超低工作溫度僅允許超低功耗的特定電子器件工作。

02、成果掠影

近日，南京大學電子科學與工程學院超導電子研究所趙清源、陳健教授、吳培亨院士團隊通過引入正交時幅復用方法（OTAM）來開發千像素成像儀。通過對納米線結構進行幾何建模，可在光子檢測后控制其熱點生長和微波傳播，這種讀出完全建立在超導納米線中。實驗結果顯示，像素位置被編碼在輸出脈沖的時域和振幅域上。這種雙重復用方法克服了先前時間復用讀出的限制，即時間測量的不確定性降低了空間分辨率和可擴展性。具體實驗中，研究人員通過兩條讀出線，展示了一個32×32成像儀，平均讀出像素保真度為97%，平均時間分辨率為67.3 ps。該成像儀的性能通過單光子成像實驗得到進一步驗證，與以前的方法相比，這種正交時幅復用方法和相應的納米線設計提供了最有效的讀出，這將加快量子測量、遙感、天文望遠鏡等大規模單光子成像儀的發展。

相關研究成果以“Readout-efficient superconducting nanowire single-photon imager with orthogonal time–amplitude multiplexing by hotspot quantization”為題發表在Nature Photonics上。

03、核心創新點

1、研究通過引入正交時幅復用方法（OTAM）克服了時間復用（TM）讀出的可擴展性限制。這種讀出改進是通過納米線檢測器的幾何設計實現的，以操縱熱點長度和脈沖幅度。

2、研究展示了一個1024像素（32×32）陣列，檢測面積為403.2μm×403.2μμm，相應的空間分辨率為12.6μm×12.6μm。通過OTAM讀出，空間分辨率提高了8倍，像素位置可以>97%的保真度準確區分。

04、數據概覽

圖1 OTAM-SNSPI概念圖 ? 2022 Springer Nature

（a）顯示架構和操作原理的概念圖。在某個位置檢測到能量為hν的光子，產生相應的差分振幅和差分時間的脈沖；

（b）八種不同長度SNAP的差分振幅直方圖；

（c）從b中所示數據中提取的平均差分振幅與2-SNAP長度的相關性；

圖2 OTAM-SNSPI的演示 ? 2022 Springer Nature

（a）成像儀一部分（4×6像素）的掃描電子顯微照片。顏色標記了八種像素，這些像素由不同SNAP的子像素設計；

（b）兩個選定像素（即P2和P7）的掃描電子顯微照片。比例尺，1μm；

（c）從b中的對應像素生成的脈沖波形。像素P7由比P2更長的子像素組成，因此產生更高的振幅。值得注意的是，脈沖幅度是從箭頭標記的第一個峰值開始測量的，而隨后的峰值是由反射引起的；

（d）原始2D點的星座圖；

（e）使用GMM對數據進行分區；

（f）所有數據點的MAP的概率密度分布；

圖3 單光子成像結果 ? 2022 Springer Nature

（a）二維聚集數據點，包含1024×10光子檢測，用于研究團隊的機構標識；

（b-e）使用OTAM方法，具有1000ppp（b）、100ppp（c）、10ppp（d）和1ppp（e）的不同檢測光子強度的單光子圖像；

（f）1024×1000光子檢測的差分時間的一維直方圖，其中僅使用TM；

（g）用f的數據重建圖像；

（h）根據f中所示的數據進行反卷積；

（i）用h的數據重建圖像；

圖4 檢測性能的均勻性 ? 2022 Springer Nature

（a,b）在波長為650nm（a）和1550nm（b）的均勻照明下成像儀的檢測效率圖；

（c,d）通過提取相同子像素的檢測效率，得到了平均檢測效率與子像素長度的相關性。在650nm（c）和1550nm（d）波長下具有不同長度2-SNAP的像素的相對效率；

（e）波長為650nm的歸一化光子計數率（PCR）和1550nm的校準系統檢測效率（SDE）；

（f）1550nm波長下的定時抖動圖；

（g）所有1024個像素的定時抖動直方圖；

（h）八種子像素的直方圖（彩色）和趨勢（灰色）；

（i）平均定時抖動對子像素長度的依賴性；

05、成果啟示

綜上所述，該研究通過巧妙設計納米線的幾何結構，在構造低速微波傳輸線的同時，量化光響應熱島的大小，將光子的位置信息編碼至輸出脈沖對的差分時間和差分幅度兩個維度。這種方案的優勢在于，通過引入第二個幅度測量維度，補償了時間測量上的不確定性。該團隊實現了1024像素（32×32）的超導納米線單光子成像器件。像素空間分辨率為12.6微米。相比僅采用時間復用讀出方式，器件的分辨率和像素規模提升了8倍。該成像儀的性能通過單光子成像實驗進行了進一步驗證。當探測光子強度從平均每像素1000個光子衰減至1個光子時，單光子器件都可以實現圖像重構。該工作為實現大規模SNSPD陣列提供了一條高效的讀出方式，相比其它技術，該方法極大地降低了器件偏置和讀出的復雜度。

文獻鏈接：Readout-efficient superconducting nanowire single-photon imager with orthogonal time–amplitude multiplexing by hotspot quantization，2022，https://doi.org/10.1038/s41566-022-01089-6）