吴培亨院士团队Nature photonics：热点量化正交时幅复用读出高效超导纳米线单光子成像仪

01、导读

利用光学传感和测量来精确获取单个光子的空间和时间信息已经不断接近量子极限，这有利于量子成像、低光子通量成像和时间分辨单光子光谱等现代应用。这种传感检测能力基于单光子成像仪实现，它往往由单光子探测器阵列和读出电子器件两部分组成。目前，科研人员已经研制出各种类型的大型单光子成像仪，例如微波动态电感检测仪、过渡边缘传感器阵列和超导纳米线单光子检测器（SNSPD）阵列等。在近红外波段的众多单光子探测器中，超导纳米线单光子探测器(SNSPD)因其探测效率高、暗计数率低、计时分辨率高、和光谱响应宽而引人注目。将SNSPD集成至大规模阵列，从而实现上述的高性能成像器，这是当前SNSPD的研究重点。尽管基于超导体的探测器表现出了优异的性能，但开发大规模超导探测器阵列始终是一项麻烦且具有挑战性的任务，这需要专门的设备和低温工程，因为超低工作温度仅允许超低功耗的特定电子器件工作。

02、成果掠影

近日，南京大学电子科学与工程学院超导电子研究所赵清源、陈健教授、吴培亨院士团队通过引入正交时幅复用方法（OTAM）来开发千像素成像仪。通过对纳米线结构进行几何建模，可在光子检测后控制其热点生长和微波传播，这种读出完全建立在超导纳米线中。实验结果显示，像素位置被编码在输出脉冲的时域和振幅域上。这种双重复用方法克服了先前时间复用读出的限制，即时间测量的不确定性降低了空间分辨率和可扩展性。具体实验中，研究人员通过两条读出线，展示了一个32×32成像仪，平均读出像素保真度为97%，平均时间分辨率为67.3 ps。该成像仪的性能通过单光子成像实验得到进一步验证，与以前的方法相比，这种正交时幅复用方法和相应的纳米线设计提供了最有效的读出，这将加快量子测量、遥感、天文望远镜等大规模单光子成像仪的发展。

相关研究成果以“Readout-efficient superconducting nanowire single-photon imager with orthogonal time–amplitude multiplexing by hotspot quantization”为题发表在Nature Photonics上。

03、核心创新点

1、研究通过引入正交时幅复用方法（OTAM）克服了时间复用（TM）读出的可扩展性限制。这种读出改进是通过纳米线检测器的几何设计实现的，以操纵热点长度和脉冲幅度。

2、研究展示了一个1024像素（32×32）阵列，检测面积为403.2μm×403.2μμm，相应的空间分辨率为12.6μm×12.6μm。通过OTAM读出，空间分辨率提高了8倍，像素位置可以>97%的保真度准确区分。

04、数据概览

图1 OTAM-SNSPI概念图 © 2022 Springer Nature

（a）显示架构和操作原理的概念图。在某个位置检测到能量为hν的光子，产生相应的差分振幅和差分时间的脉冲；

（b）八种不同长度SNAP的差分振幅直方图；

（c）从b中所示数据中提取的平均差分振幅与2-SNAP长度的相关性；

图2 OTAM-SNSPI的演示 © 2022 Springer Nature

（a）成像仪一部分（4×6像素）的扫描电子显微照片。颜色标记了八种像素，这些像素由不同SNAP的子像素设计；

（b）两个选定像素（即P2和P7）的扫描电子显微照片。比例尺，1μm；

（c）从b中的对应像素生成的脉冲波形。像素P7由比P2更长的子像素组成，因此产生更高的振幅。值得注意的是，脉冲幅度是从箭头标记的第一个峰值开始测量的，而随后的峰值是由反射引起的；

（d）原始2D点的星座图；

（e）使用GMM对数据进行分区；

（f）所有数据点的MAP的概率密度分布；

图3 单光子成像结果 © 2022 Springer Nature

（a）二维聚集数据点，包含1024×10光子检测，用于研究团队的机构标识；

（b-e）使用OTAM方法，具有1000ppp（b）、100ppp（c）、10ppp（d）和1ppp（e）的不同检测光子强度的单光子图像；

（f）1024×1000光子检测的差分时间的一维直方图，其中仅使用TM；

（g）用f的数据重建图像；

（h）根据f中所示的数据进行反卷积；

（i）用h的数据重建图像；

图4 检测性能的均匀性 © 2022 Springer Nature

（a,b）在波长为650nm（a）和1550nm（b）的均匀照明下成像仪的检测效率图；

（c,d）通过提取相同子像素的检测效率，得到了平均检测效率与子像素长度的相关性。在650nm（c）和1550nm（d）波长下具有不同长度2-SNAP的像素的相对效率；

（e）波长为650nm的归一化光子计数率（PCR）和1550nm的校准系统检测效率（SDE）；

（f）1550nm波长下的定时抖动图；

（g）所有1024个像素的定时抖动直方图；

（h）八种子像素的直方图（彩色）和趋势（灰色）；

（i）平均定时抖动对子像素长度的依赖性；

05、成果启示

综上所述，该研究通过巧妙设计纳米线的几何结构，在构造低速微波传输线的同时，量化光响应热岛的大小，将光子的位置信息编码至输出脉冲对的差分时间和差分幅度两个维度。这种方案的优势在于，通过引入第二个幅度测量维度，补偿了时间测量上的不确定性。该团队实现了1024像素（32×32）的超导纳米线单光子成像器件。像素空间分辨率为12.6微米。相比仅采用时间复用读出方式，器件的分辨率和像素规模提升了8倍。该成像仪的性能通过单光子成像实验进行了进一步验证。当探测光子强度从平均每像素1000个光子衰减至1个光子时，单光子器件都可以实现图像重构。该工作为实现大规模SNSPD阵列提供了一条高效的读出方式，相比其它技术，该方法极大地降低了器件偏置和读出的复杂度。

文献链接：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）