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面向空間應(yīng)用的超導(dǎo)納米線單光子探測器研發(fā)成功

字體: 放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2018-02-23  來源:中國儀表網(wǎng)  瀏覽次數(shù):975


       超導(dǎo)納米線單光子探測器(SNSPD:Superconductingnanowiresingle-photondetector)作為一種高性能的單光子探測器,已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于量子信息、激光雷達、深空通信等領(lǐng)域,有力推動了相關(guān)領(lǐng)域的科技進步。然而,迄今為止,所有的SNSPD都只在地面實現(xiàn)了應(yīng)用驗證,包括美國NASA2013年的月地激光通信LLCD項目,也是在地面接收站使用了超導(dǎo)單光子探測器,在衛(wèi)星上不得不使用了性能較差的半導(dǎo)體單光子探測器。如果能夠在空間應(yīng)用中采用SNSPD,有望實現(xiàn)空間光通信技術(shù)的跨越式發(fā)展,大幅提升深空激光通信和量子通信的距離和成碼率。而制約SNSPD空間應(yīng)用的主要因素是制冷技術(shù)。
 

 

面向空間應(yīng)用的SNSPD系統(tǒng)創(chuàng)意圖

 
  SNSPD通常需要在液氦(4.2K)以下溫區(qū)工作,典型的解決方案是采用商用的G-M二級閉合循環(huán)制冷機。包括上海賦同科技有限公司在內(nèi)全球6家公司SNSPD商業(yè)化產(chǎn)品都采用類似的制冷技術(shù)。然而這類制冷機由于采用了油壓縮機,冷頭有運動部件;而且受到這類制冷機體積、重量功耗制約,使得這類制冷機無法實現(xiàn)空間應(yīng)用。
 
  面向空間應(yīng)用對高性能單光子探測技術(shù)的需求,全球科研人員一直在努力發(fā)展面向空間應(yīng)用的小型液氦溫區(qū)制冷機技術(shù),并期望將其和高性能SNSPD結(jié)合。2017年1月,美國NIST最先報道了一個基于三級脈管加JT節(jié)流技術(shù)的小型制冷機,然而JT的壓縮機尚未成功研制,且未能實現(xiàn)SNSPD的性能測試【IEEETransonApplSupercond27:9500405(2017)】。2017年9月,英國Glasgow大學(xué)報道了一個基于斯特林+JT節(jié)流技術(shù)的小型制冷機,該制冷機可以滿足空間應(yīng)用需求,但是最低溫度只能達到4.2K。利用該制冷機研究人員實現(xiàn)了正常工作的SNSPD(1310nm波長/暗計數(shù)KHz/探測效率僅20%),但是性能非常有限,和半導(dǎo)體探測器性能相當【SupercondSciandTech30:11lt01(2017)】。
 
  2017年起,中科院上海微系統(tǒng)所/中科院超導(dǎo)電子學(xué)卓越創(chuàng)新中心尤立星團隊和中科院理化所梁驚濤團隊通力合作,開展面向空間應(yīng)用的SNSPD系統(tǒng)研發(fā)。理化所成功研發(fā)了可實現(xiàn)空間應(yīng)用的二級脈管+JT節(jié)流技術(shù)小型制冷機,最低無負載工作溫度可達到2.6K。安裝上海微系統(tǒng)所研制的SNSPD器件后,最低工作溫度達到2.8K。在此溫度下,國際上首次實現(xiàn)了1550nm工作波長,最高系統(tǒng)探測效率超過50%。在100Hz暗計數(shù)下,系統(tǒng)探測效率達到47%,且抖動只有48ps。性能大幅超越傳統(tǒng)的半導(dǎo)體探測器。相關(guān)成果近日發(fā)表于OpticsExpress【OE26(3):2965-2971.(2018)】。該結(jié)果有望為我國下一代量子衛(wèi)星、深空激光通信等空間應(yīng)用提供高性能單光子探測器解決方案。
 
  該工作得到了國家重點研發(fā)計劃項目“高性能單光子探測技術(shù)”(2017YFA0304000)、中科院交叉創(chuàng)新團隊(超導(dǎo)單光子探測創(chuàng)新交叉團隊)、自然科學(xué)基金以及上海市科委等項目資助。
 
 

 
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