单光子芯片光谱仪

该论文是在2019年发表于Nature Communications的一篇关于小体积、高稳健性、无运动部件、可同时提供超过200个等效波长检测通道的单光子光谱仪的文章。文章题目为Broadband on-chip single-photon spectrometer。文中提出了一种宽带芯片规模的单光子光谱仪，光谱范围涵盖了从600nm到2000nm的可见光和红外波段。该光谱仪集成了片上色散阶梯光栅和单元超高速超导纳米线探测器，用于绘制高空间分辨率的色散光子。该光谱仪将在量子传感、通信和前沿光谱成像技术中找到重要和直接的应用。

背景

单光子计数器是一种单像素的二进制器件，它可以点击光子的吸收，但模糊了光子的光谱信息。而分辨被探测光子的颜色一直是前沿天文观测、光谱成像和波分复用量子通信的关键需求。目前的单光子光谱仪要么包含大量的波长扫描组件，要么检测通道有限，阻碍了对高光谱分辨率的宽带单光子的并行检测。此外，用于通信带光子计数的InGaAs单光子雪崩二极管等半导体探测器也存在暗计数量大、效率有限、速度慢和后脉冲等问题。超导纳米线单光子探测器最近已成为最佳的替代方案之一，其在各个方面都优于同行半导体探测器，具有接近统一的效率、高速、低抖动、低暗计数，以及与集成纳米光子电路的片上集成能力。然而，这种探测器以强非线性模式工作，只通知光子的存在或不存在，因此不能区分能量或提供被检测光子的光谱信息。

内容

基于以上问题，Risheng Cheng等人提出并在实验上实现了一种宽带片上单光子光谱仪，它克服了上述所有的挑战。通过将毫米大小的纳米光子梯级光栅与单元弯曲SNSPD连接，实现了对散射输入光子的光谱信息的连续映射(图1a)。为了实现精确的时间标记，采用高k(高介电常数)层覆盖的SNSPD形成微带传输线，群速度低至0.0073c (c:真空中的光速)，将其用于实现单光子成像器。这种独特的片上光谱仪结合了平面纳米光子和超导纳米线电路的优点，因此具有内在的可扩展性。

图 1  设备结构和工作原理。a-d,设备的三维结构图。片上聚焦梯形光栅作为波长鉴别微光子元件，而超导纳米线同时作为单光子探测器和缓慢的微波延迟线，以连续绘制分散光子。该纳米线以高k介质材料AlOx和顶部金属地面Al包裹，形成慢速微波传输线。e,安装示意图。输入波导和超导纳米线安装在罗兰圆上，罗兰圆与聚焦光栅线内部相切。聚焦光栅是从一个曲率半径等于罗兰圆直径的平面光栅上投影出来的。f,信号转导通路及器件工作原理示意图。

这种单光子光谱仪的最终分辨率是由光栅的可实现尺寸决定的，而光栅的可实现尺寸最终受到晶片尺寸和纳米线延迟线的总长度的限制，以覆盖所有所需的衍射角度。此外，这种片上单光子光谱仪具有小体积、高稳健性、无运动部件的特点，同时提供了超过200个等效波长检测通道，具有进一步的可扩展性。

图2 分光结果，a，FDTD模拟不同波长下器件的电场分布结果。b，光子计数与时间差的归一化直方图Δt对600到1970nm不同波长光子的测量结果。主要的峰值来自TE模式，而虚线圈标记的次要峰值来自TM模式。直方图是用偏压80%开关电流ISW的纳米线探测器记录的。c，实验测量Δt与模拟结果提取的衍射角的比较。d，归一化光子计数率(PCR)测量的偏置电流相对于器件I偏置/ISW的开关电流的函数，波长从750到1970nm。曲线的完全饱和趋势表明纳米线探测器在整个光谱上具有接近统一的内量子效率。直方图结果来自双纳米线探测器的设备，效率曲线来自单纳米线结构的设备B，以便于不同波长之间的比较。

评论

该文章研究了宽带芯片规模的单光子光谱仪，光谱范围涵盖了从600nm到2000nm的可见光和红外波段。单光子光谱仪的最终分辨率是由光栅的可实现尺寸决定的，而光栅的可实现尺寸最终受到晶片尺寸和纳米线延迟线的总长度的限制，以覆盖所有所需的衍射角度。此外，单光子检测的机制，片上光谱仪也可以扩展到研究双光子吸收应用，因此可以成为表征光谱纠缠光子对的重要工具。所设计的光谱仪可以很容易地扩展到中红外波段，这些波段有许多重要的和快速发展的应用，如遥感和单光子激光雷达。预计此光谱仪将在量子传感、通信和前沿光谱成像技术中找到重要和直接的应用。

来源：两江科技评论