从单模到多模：面向自由空间的高性能SNSPD技术迭代
发布时间：2026-7-13 16:07
发布者：eechina
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基于单模光纤耦合的超导纳米线单光子探测器（SNSPD）凭借高探测效率和低暗计数等核心性能优势，已成为量子信息领域的核心探测器件，应用价值持续凸显。但随着应用场景从稳定可控的光纤链路，逐步延伸至复杂多变的自由空间光链路，SNSPD的工程应用面临多重严苛挑战：信道偏振随机扰动、空间光模式分布复杂、环境背景光干扰强、光路耦合状态动态波动，同时还需兼顾系统小型化、工程环境稳定性等硬性要求，传统单模耦合探测方案的适配短板日益凸显。 近期，中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员、赋同量子首席科学家李浩与博士后徐鸿鑫等人在 Photonics Research 发表题为Multimode-fiber-coupled superconducting nanowire single-photon detector for free-space quantum applications的研究论文，报道了一种面向自由空间应用的多模光纤耦合超导纳米线单光子探测器（MMF-coupled SNSPD）。 这项工作针对自由空间量子通信、激光雷达、弱光成像等场景中的核心探测难题，提出了“偏振不敏感双层纳米线结构 + 光纤端面集成双级滤波系统”的解决方案，在多模光纤耦合条件下实现了81%的系统探测效率和4 cps的暗计数率，相较未滤波配置，信噪比提升超过10000倍。 为什么自由空间量子应用需要多模光纤？ 在传统光纤量子通信系统中，单模光纤耦合SNSPD可以实现极高的系统探测效率和极低暗计数，比如赋同量子的Cooper Quiet系列可以同时实现90%探测效率@0.5 cps暗计数率和85%探测效率@0.1 cps暗计数率，因此被广泛用于量子通信、量子存储和量子网络等前沿领域。 但自由空间链路与光纤链路不同，光束在传输过程中会受到大气湍流、光束发散、指向误差和链路衰减等因素影响。到达接收端时，光场往往不再是稳定、理想的单一空间模式。 在这种情况下，如果继续使用单模光纤，小芯径和低数值孔径会显著提高耦合难度，限制实际收光能力。相比之下，多模光纤具有更大的芯径和更高的数值孔径，更容易收集自由空间中的弱光信号，也更适合复杂光场条件下的工程化接收系统。 但多模光纤也带来了新的挑战：它在接收更多信号光的同时，也会引入更多背景光、杂散光和热辐射光子；同时，多模传输中的模式耦合和色散会导致偏振态随机化，使传统SNSPD的偏振依赖问题更加突出。 简单来说，多模光纤让系统“更容易接到光”，也让系统“更容易接到噪声”。 第一项突破：偏振不敏感的双层纳米线结构 传统SNSPD通常采用蛇形超导纳米线结构。由于纳米线本身具有几何各向异性，不同偏振方向的入射光会产生不同的吸收效率。对于单模光纤系统，可以通过偏振控制进行优化；但在多模光纤系统中，偏振态会在传输过程中随机变化，这种方法并不现实。 为了解决这一问题，上海微系统所团队设计了介质补偿双层纳米线结构。论文中采用NbN/SiO2/NbN夹层式双层纳米线，并结合a-Si/SiO2周期性介质补偿层和DBR反射结构，对光场分布进行调控，从而平衡平行偏振与垂直偏振光的吸收差异。该结构不是简单“加厚”吸收层，而是通过精细的光学结构设计，让器件在1.5 μm通信波段获得更高、更稳定的吸收效率。 实验结果显示，在未集成滤波器时，该多模光纤耦合SNSPD在1.5 μm附近实现了88%的系统探测效率。 
图 1. 高效率、偏振不敏感SNSPD的设计结构和仿真结果 第二项突破：把滤波器集成到光纤端面上 多模光纤带来的最大的问题是暗计数的指数级增长。由于多模光纤能够传输更多空间模式，它不仅会传输信号光，也更容易把室温环境中的热辐射光子带入低温探测端。论文指出，未滤波的多模光纤耦合SNSPD暗计数率在104 cps量级，严重限制系统的信噪比。 传统方案通常是在低温环境中加入独立带通滤波器，但这会增加系统体积、装调复杂度和潜在插入损耗，不利于SNSPD系统的小型化与工程集成。 上海微系统所团队采用了一种更紧凑的方式：将带通滤波器直接制备在光纤端面上。研究团队使用Ta2O5/SiO2等介质材料，在多模光纤端面制备带通滤波膜，并进一步级联两段滤波光纤，形成双级光纤端面滤波结构。该结构实现了超过60 dB的带外抑制能力，能够有效阻挡非目标波段的热光子进入探测器。 
图 2. 多模光纤耦合的滤波方案 
图 3. 实测性能曲线 最终，集成双级光纤端面滤波器后，器件在保持81%系统探测效率的同时，将暗计数率降低至仅4 cps，实现了4.5×10-19 W/√Hz噪声等效功率等指标。与已有多模光纤耦合超导单光子探测器相比，该器件在系统探测效率、暗计数率和噪声等效功率之间取得了优异平衡。 从单模到多模到自由空间耦合：SNSPD走向复杂应用环境 上海微系统所这项成果说明，多模光纤耦合SNSPD并不必然意味着效率下降和噪声失控。通过纳米线吸收结构设计、低温光学封装、光纤端面滤波和系统级噪声管理，可以让SNSPD在复杂自由空间接收环境中保持高性能工作。 依托上海市科委的专项支持，团队将在2026年底完成技术迭代，搭载超低振动GM制冷机，正式推出全新自由空间耦合SNSPD系统。该系统可高效捕获微弱光子信号、精准屏蔽环境杂散噪声，实现“多收光子、严控噪声”的核心目标，为SNSPD从实验室精准探测走向规模化实景应用筑牢核心基础，也将是下一代高性能单光子探测系统工程化落地的关键里程碑。 论文链接： https://doi.org/10.1364/PRJ.590928 |
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