耶鲁中国学者在单片光波导芯片集成100个超导纳米线单光子探测器

　　近期，美国耶鲁大学的唐红星教授团队提出一种＂时空复用＂方案， 在面积仅为 4mm×1mm 的光波导芯片上单片集成 100 个超导纳米线探测器，同时实现了最高达 100 个光子数的分辨率。
　　审稿人认为，该研究不仅解决了片上集成探测器的可扩展性问题，也提出了一种更简便的电路读出方案。
　　而另外一位审稿人则评价称：＂该团队建造了一个非常精密的探测器来分辨多达 100 个光子，并研究了不同光源的量子统计现象。该探测器的设计方案非常新颖，每一路探测器可以局部重置，同时它们还能够在空间上定位多个光子到达的位置。＂
　　超导纳米线单光子探测器有许多诸多优良的性质，但其＂短板＂也十分明显——缺少光子数分辨能力，只能分辨 0 或者 1 个光子数。而 该团队的研究解决了传统超导纳米线探测器光子数分辨率不足的问题。
　　图丨片上百光子数探测器示意图（来源：该课题组）
　　相比之下，其它超导探测器如相变边缘探测器和微波动态电感探测器本身就具有光子数分辨能力。但是，这些探测器在光子计数率、时间抖动等其他功能参数上远不如超导纳米线探测器。
　　因此，以往的研究着重于用时间复用、或者空间复用等技术读出多个超导纳米线探测器组成的阵列，从而间接实现光子数分辨。但这些方案集成度都不高，已经实现的可同时分辨最高光子数纪录在 24 以下，而且其测量的信号保真度也不高。
　　那么，这种时空复用技术独特在何处呢？采用的时空复用技术可以将 100 个纳米线探测器集成在 4mm×1mm 的微小芯片面积内，在获得较高的光子数分辨率的情况下，大大的降低整个系统的复杂度。
　　并且，只需要一根微波同轴电缆，就可以同时读取 100 个纳米线探测器的状态。因此， 整个外围电路和电信号处理的复杂度显著降低。
　　该研究采用独特的时空复用技术，实现了对光波导集成的 100 个纳米线探测器阵列的同时读出。而且，该方案具有很强的可扩展性，通过改进微波延迟线的设计和使用其它新型材料作为其介质层，未来有望将集成探测器的阵列数目进一步提高至 1000 以上。
　　图丨相关论文（来源：Nature Photonics）
　　前不久，相关论文以《100 像素光子数可分辨探测器及光子统计的揭示》（A 100-pixel photon-number-resolving detector unveiling photon statistics）为题发表在   Nature Photonics   上[1]。
　　耶鲁大学电气工程系成日盛博士和周宜雨博士为论文的共同第一作者，唐红星教授为该论文的通讯作者。
　　提出一种简便的电路读出方案
　　该研究的优势在对热光场以及相干光的测量实验中得以体现。正是由于探测器同时具有超高时间分辨率以及光子数分辨率，因此， 该团队首次实现了对光纤放大器自发放大辐射产生的真热光场测量。
　　通过调节脉冲宽度，他们观测到，真热光场的光子数分布从玻色爱因斯坦分布逐步转化为泊松分布。并且，用该探测器技术实现了对高达 15 阶关联函数的直接测量。
　　图丨时空复用原理示意图（来源：Nature Photonics）
　　该方案的确立，是成日盛和其导师唐红星教授在讨论问题的过程中得到的灵感。在研究伊始阶段，他们提出，能否利用超导纳米线同时作为单光子探测器和微波延迟线呢？这样就可以用时空复用的方法读出大规模纳米线探测器阵列，同时大大增加读取信号的保真度。
　　后来，成日盛在仿真模拟的结果中发现，为了提取到有效的探测器信号，除了微波延迟线，每一路探测器还需要一个片上的电阻和电感作为其独立的重置回路。＂这无疑对大规模探测器阵列的设计，增加了额外的复杂度和其制备的难度。＂成日盛说。
　　经过事先的仿真模拟和参数优化，以及前后一年多在超净间里的材料生长和样品制备，所有纳米加工制备样品中的技术难题和早期器件良率严重不足的问题终于被解决。
　　图丨片上探测器实物图（来源：Nature Photonics）
　　由于探测器所需要的结构较复杂，它的纳米加工制备涉及到 8 种材料的集成，6 步电子束光刻以及材料生长和刻蚀。对于大学里研究型的超净间来说，样品良率（成品率）的控制备受挑战。
　　值得注意的是，影响最终器件良率主要有两个方面的因素：第一，超导薄膜材料本身的均匀性和缺陷率；第二，后续的纳米加工制备当中由于污染源引起的缺陷。据介绍，该团队所用的氮化铌超导薄膜由原子层淀积技术生长，其均匀性和纯度远高于其它课题组依赖的、由磁控溅射做成的传统超导薄膜材料。
　　成日盛表示：＂我们需要独立验证样品制备中的每道工序，找到合适的材料和相应的加工工艺，严格把控制备过程中每个细节，找到相应的污染源，从而尽量提高样品的最终良率。＂
　　图丨示波器眼图（来源：Nature Photonics）
　　由于大规模探测器阵列复杂的工作原理，研究人员很难从事先的仿真中模拟所有的细节。于是，他们采用了＂先拆分后整合＂以及＂由简入繁＂的方法。对于其中的某一些组成单元（比如片上电阻和微波延迟线），该团队需要制备单独的测试样品，通过测试验证其有效性提取相应的参数，再重新反馈到整个探测器的设计。
　　考虑到早期样品良率严重不足的情况，该团队在一年时间里＂一步一个脚印＂，从最初的小规模 8 个探测器阵列的原理性验证，后来逐步增加阵列数目到 20 个，最终成功制备出论文中展示的 100 个探测器阵列。
　　在测量方面，由于课题组成员找不到现成的脉冲光源来测试探测器，因而需要自建满足实验需求的实验平台。最初，该团队打算采用常见的赝热光源进行测量，也就是用旋转的毛玻璃生成赝热光场。后经过讨论，最终他们还是决定尝试真热光场的生成和测量。
　　＂虽然真热光源和赝热光源并没有物理上的本质区别，但是对真热光源的测量具有相当高的技术门槛。＂周宜雨说。经过文献调研，他们发现用真热光源的实验文献很少，不能有效地指导实验。于是，他们最初尝试用交宽的带通滤波器生成带宽 1GHz 的热光源，但效果仍没有达到预期。
　　周宜雨表示：＂当时并不确定原因是什么，实验进展较慢。后来查阅文献并进行计算，发现 1GHz 还是太宽，因此后面改用带宽更窄的 65MHz 滤波器，最终完成了真热光源的生成和测量。＂
　　解决片上集成探测器可扩展性问题
　　该技术或将在量子光学、量子通信、以及玻色采样等量子模拟中起到积极促进的作用。例如，量子光学中的压缩态是一种非经典的多光子态，在激光干涉引力波天文台引力波测量中发挥了重要作用。
　　目前，压缩态的常用探测方法是和幅度较强的本振光干涉之后，利用外差或者零差探测进行测量。＂若利用该技术直接对压缩态光场进行光子数探测，则可以显著提高测量精度，降低探测器噪声带来的影响。＂周宜雨表示。
　　另外，在玻色采样中往往需要构建一个大规模的干涉仪阵列，然后对干涉仪的所有输出端进行单光子测量。 该技术有望在片上将干涉仪阵列和上百个单光子探测器全部集成，积极推动玻色采样的系统集成化发展。
　　图丨光子统计与高阶相关测量（来源：Nature Photonics）
　　未来，该技术若进一步发展，必然要考虑均匀性、寿命、工艺成熟度等现实的问题。那么， 纳米线串联数量到 100 个甚至上千个之后，会不会其中部分的寿命较短造成性能大幅下降呢？ 实际上，由于探测器的结构中所有的纳米线都是串联的，因此只要有一处断开或者材料有缺陷，那么整个器件都不能工作。
　　在该研究中展示的探测器核心部分，由只有 8 纳米左右厚度的超导薄膜刻蚀而成，整个超导线（包括 100 个纳米线探测器部分和微波延迟线部分）的总长度长达 400 毫米，中间不能有任何断开或者有缺陷的部分，可见其加工难度之大。
　　成日盛指出，耶鲁大学一流的超净间和电子束光刻技术也是该实验能成功的核心因素。经过长时间的工艺摸索和优化，最终样品良率已经达到了 80% 左右。如果将来要实现更成熟、更大规模化的制备，还需要依靠专业的晶圆代工服务，以及 DUV 深紫外光刻技术。
　　将聚焦全量子光芯片的实现
　　成日盛博士期间在耶鲁大学唐红星教授课题组做研究，研究方向是超导纳米线单光子探测器及其片上光波导线路的集成。他曾将超导纳米线探测器和片上光栅集成，第一次实现了用超导纳米线对单光子波长的多路探测[2]。现就职于 Meta 现实实验室（Meta Reality Labs），做 AR/VR 方面的光学研究。
　　成日盛认为，唐教授课题组研究多样性强，这使得他在研究期间得到物理、集成光学设计、纳米制备、低温测量等各方面的综合训练。他还表示：＂唐老师对科研的执着热爱，以及他严谨的工作态度对我以后的职业发展也生了深远的影响。＂
　　图丨成日盛（来源：成日盛）
　　周宜雨博士期间在美国罗彻斯特大学罗伯特·博伊德（Robert Boyd）课题组做非线性光学和量子光学的研究，毕业后来到唐教授课题组做博后。在该研究中，他参与的相干态和热光态的测量与其博士早期的一段实验经历比较相关。＂该工作加深了我对量子光学的理解，未来我希望能继续在非线性和量子光学领域中发展。＂周宜雨说。
　　图丨周宜雨（来源：周宜雨）
　　当然，该技术在现阶段还有一些局限性，例如光纤到芯片之间的低耦合效率等，还需要时间来克服或者避免这些问题。
　　从另一方面来看，该技术具有便于集成的潜力，因此有可能在一片硅片的正反两面分别加工出探测器和量子光源，然后量子态的光源通过光栅耦合器耦合到探测器一边。
　　虽然光纤到光栅耦合器的耦合效率普遍较低，但是两个光栅耦合器之间的效率则可提高，而且硅片本身同时可以作为短波长泵浦光的滤波器。因此，该技术有望将大规模的玻色采样等装置集成到同一硅片上。
　　据悉，该团队下一步将聚焦量子光源和探测器，以及可控量子光路在同一芯片上的集成，从而实现全量子光芯片。
　　参考资料：
　　1.Cheng, R., Zhou, Y., Wang, S. et al. A 100-pixel photon-number-resolving detector unveiling photon statistics.  Nature Photonics  17, 112–119 (2023). https://doi.org/10.1038/s41566-022-01119-3
　　2.Cheng, R., Zou, CL., Guo, X. et al. Broadband on-chip single-photon spectrometer.  Nature Communications  10, 4104 (2019). https://doi.org/10.1038/s41467-019-12149-x