耶魯中國學(xué)者在單片光波導芯片集成100個(gè)超導納米線(xiàn)單光子探測器

近期，美國耶魯大學(xué)的唐紅星教授團隊提出一種“時(shí)空復用”方案，在面積僅為 4mm×1mm 的光波導芯片上單片集成 100 個(gè)超導納米線(xiàn)探測器，同時(shí)實(shí)現了最高達 100 個(gè)光子數的分辨率。

審稿人認為，該研究不僅解決了片上集成探測器的可擴展性問(wèn)題，也提出了一種更簡(jiǎn)便的電路讀出方案。

而另外一位審稿人則評價(jià)稱(chēng)：“該團隊建造了一個(gè)非常精密的探測器來(lái)分辨多達 100 個(gè)光子，并研究了不同光源的量子統計現象。該探測器的設計方案非常新穎，每一路探測器可以局部重置，同時(shí)它們還能夠在空間上定位多個(gè)光子到達的位置?！?/p>

超導納米線(xiàn)單光子探測器有許多諸多優(yōu)良的性質(zhì)，但其“短板”也十分明顯——缺少光子數分辨能力，只能分辨 0 或者 1 個(gè)光子數。而該團隊的研究解決了傳統超導納米線(xiàn)探測器光子數分辨率不足的問(wèn)題。

圖丨片上百光子數探測器示意圖（來(lái)源：該課題組）

相比之下，其它超導探測器如相變邊緣探測器和微波動(dòng)態(tài)電感探測器本身就具有光子數分辨能力。但是，這些探測器在光子計數率、時(shí)間抖動(dòng)等其他功能參數上遠不如超導納米線(xiàn)探測器。

因此，以往的研究著(zhù)重于用時(shí)間復用、或者空間復用等技術(shù)讀出多個(gè)超導納米線(xiàn)探測器組成的陣列，從而間接實(shí)現光子數分辨。但這些方案集成度都不高，已經(jīng)實(shí)現的可同時(shí)分辨最高光子數紀錄在 24 以下，而且其測量的信號保真度也不高。

那么，這種時(shí)空復用技術(shù)獨特在何處呢？采用的時(shí)空復用技術(shù)可以將 100 個(gè)納米線(xiàn)探測器集成在 4mm×1mm 的微小芯片面積內，在獲得較高的光子數分辨率的情況下，大大的降低整個(gè)系統的復雜度。

并且，只需要一根微波同軸電纜，就可以同時(shí)讀取 100 個(gè)納米線(xiàn)探測器的狀態(tài)。因此，整個(gè)外圍電路和電信號處理的復雜度顯著(zhù)降低。

該研究采用獨特的時(shí)空復用技術(shù)，實(shí)現了對光波導集成的 100 個(gè)納米線(xiàn)探測器陣列的同時(shí)讀出。而且，該方案具有很強的可擴展性，通過(guò)改進(jìn)微波延遲線(xiàn)的設計和使用其它新型材料作為其介質(zhì)層，未來(lái)有望將集成探測器的陣列數目進(jìn)一步提高至 1000 以上。

圖丨相關(guān)論文（來(lái)源：Nature Photonics）

前不久，相關(guān)論文以《100 像素光子數可分辨探測器及光子統計的揭示》（A 100-pixel photon-number-resolving detector unveiling photon statistics）為題發(fā)表在 Nature Photonics 上[1]。

耶魯大學(xué)電氣工程系成日盛博士和周宜雨博士為論文的共同第一作者，唐紅星教授為該論文的通訊作者。

提出一種簡(jiǎn)便的電路讀出方案

該研究的優(yōu)勢在對熱光場(chǎng)以及相干光的測量實(shí)驗中得以體現。正是由于探測器同時(shí)具有超高時(shí)間分辨率以及光子數分辨率，因此，該團隊首次實(shí)現了對光纖放大器自發(fā)放大輻射產(chǎn)生的真熱光場(chǎng)測量。

通過(guò)調節脈沖寬度，他們觀(guān)測到，真熱光場(chǎng)的光子數分布從玻色愛(ài)因斯坦分布逐步轉化為泊松分布。并且，用該探測器技術(shù)實(shí)現了對高達 15 階關(guān)聯(lián)函數的直接測量。

圖丨時(shí)空復用原理示意圖（來(lái)源：Nature Photonics）

該方案的確立，是成日盛和其導師唐紅星教授在討論問(wèn)題的過(guò)程中得到的靈感。在研究伊始階段，他們提出，能否利用超導納米線(xiàn)同時(shí)作為單光子探測器和微波延遲線(xiàn)呢？這樣就可以用時(shí)空復用的方法讀出大規模納米線(xiàn)探測器陣列，同時(shí)大大增加讀取信號的保真度。

后來(lái)，成日盛在仿真模擬的結果中發(fā)現，為了提取到有效的探測器信號，除了微波延遲線(xiàn)，每一路探測器還需要一個(gè)片上的電阻和電感作為其獨立的重置回路?！斑@無(wú)疑對大規模探測器陣列的設計，增加了額外的復雜度和其制備的難度?！背扇帐⒄f(shuō)。

經(jīng)過(guò)事先的仿真模擬和參數優(yōu)化，以及前后一年多在超凈間里的材料生長(cháng)和樣品制備，所有納米加工制備樣品中的技術(shù)難題和早期器件良率嚴重不足的問(wèn)題終于被解決。

圖丨片上探測器實(shí)物圖（來(lái)源：Nature Photonics）

由于探測器所需要的結構較復雜，它的納米加工制備涉及到 8 種材料的集成，6 步電子束光刻以及材料生長(cháng)和刻蝕。對于大學(xué)里研究型的超凈間來(lái)說(shuō)，樣品良率（成品率）的控制備受挑戰。

值得注意的是，影響最終器件良率主要有兩個(gè)方面的因素：第一，超導薄膜材料本身的均勻性和缺陷率；第二，后續的納米加工制備當中由于污染源引起的缺陷。據介紹，該團隊所用的氮化鈮超導薄膜由原子層淀積技術(shù)生長(cháng)，其均勻性和純度遠高于其它課題組依賴(lài)的、由磁控濺射做成的傳統超導薄膜材料。

成日盛表示：“我們需要獨立驗證樣品制備中的每道工序，找到合適的材料和相應的加工工藝，嚴格把控制備過(guò)程中每個(gè)細節，找到相應的污染源，從而盡量提高樣品的最終良率?！?/p>

圖丨示波器眼圖（來(lái)源：Nature Photonics）

由于大規模探測器陣列復雜的工作原理，研究人員很難從事先的仿真中模擬所有的細節。于是，他們采用了“先拆分后整合”以及“由簡(jiǎn)入繁”的方法。對于其中的某一些組成單元（比如片上電阻和微波延遲線(xiàn)），該團隊需要制備單獨的測試樣品，通過(guò)測試驗證其有效性提取相應的參數，再重新反饋到整個(gè)探測器的設計。

考慮到早期樣品良率嚴重不足的情況，該團隊在一年時(shí)間里“一步一個(gè)腳印”，從最初的小規模 8 個(gè)探測器陣列的原理性驗證，后來(lái)逐步增加陣列數目到 20 個(gè)，最終成功制備出論文中展示的 100 個(gè)探測器陣列。

在測量方面，由于課題組成員找不到現成的脈沖光源來(lái)測試探測器，因而需要自建滿(mǎn)足實(shí)驗需求的實(shí)驗平臺。最初，該團隊打算采用常見(jiàn)的贗熱光源進(jìn)行測量，也就是用旋轉的毛玻璃生成贗熱光場(chǎng)。后經(jīng)過(guò)討論，最終他們還是決定嘗試真熱光場(chǎng)的生成和測量。

“雖然真熱光源和贗熱光源并沒(méi)有物理上的本質(zhì)區別，但是對真熱光源的測量具有相當高的技術(shù)門(mén)檻?！敝芤擞暾f(shuō)。經(jīng)過(guò)文獻調研，他們發(fā)現用真熱光源的實(shí)驗文獻很少，不能有效地指導實(shí)驗。于是，他們最初嘗試用交寬的帶通濾波器生成帶寬 1GHz 的熱光源，但效果仍沒(méi)有達到預期。

周宜雨表示：“當時(shí)并不確定原因是什么，實(shí)驗進(jìn)展較慢。后來(lái)查閱文獻并進(jìn)行計算，發(fā)現 1GHz 還是太寬，因此后面改用帶寬更窄的 65MHz 濾波器，最終完成了真熱光源的生成和測量?！?/p>

解決片上集成探測器可擴展性問(wèn)題

該技術(shù)或將在量子光學(xué)、量子通信、以及玻色采樣等量子模擬中起到積極促進(jìn)的作用。例如，量子光學(xué)中的壓縮態(tài)是一種非經(jīng)典的多光子態(tài)，在激光干涉引力波天文臺引力波測量中發(fā)揮了重要作用。

目前，壓縮態(tài)的常用探測方法是和幅度較強的本振光干涉之后，利用外差或者零差探測進(jìn)行測量?！叭衾迷摷夹g(shù)直接對壓縮態(tài)光場(chǎng)進(jìn)行光子數探測，則可以顯著(zhù)提高測量精度，降低探測器噪聲帶來(lái)的影響?！敝芤擞瓯硎?。

另外，在玻色采樣中往往需要構建一個(gè)大規模的干涉儀陣列，然后對干涉儀的所有輸出端進(jìn)行單光子測量。該技術(shù)有望在片上將干涉儀陣列和上百個(gè)單光子探測器全部集成，積極推動(dòng)玻色采樣的系統集成化發(fā)展。

圖丨光子統計與高階相關(guān)測量（來(lái)源：Nature Photonics）

未來(lái)，該技術(shù)若進(jìn)一步發(fā)展，必然要考慮均勻性、壽命、工藝成熟度等現實(shí)的問(wèn)題。那么，納米線(xiàn)串聯(lián)數量到 100 個(gè)甚至上千個(gè)之后，會(huì )不會(huì )其中部分的壽命較短造成性能大幅下降呢？實(shí)際上，由于探測器的結構中所有的納米線(xiàn)都是串聯(lián)的，因此只要有一處斷開(kāi)或者材料有缺陷，那么整個(gè)器件都不能工作。

在該研究中展示的探測器核心部分，由只有 8 納米左右厚度的超導薄膜刻蝕而成，整個(gè)超導線(xiàn)（包括 100 個(gè)納米線(xiàn)探測器部分和微波延遲線(xiàn)部分）的總長(cháng)度長(cháng)達 400 毫米，中間不能有任何斷開(kāi)或者有缺陷的部分，可見(jiàn)其加工難度之大。

成日盛指出，耶魯大學(xué)一流的超凈間和電子束光刻技術(shù)也是該實(shí)驗能成功的核心因素。經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的工藝摸索和優(yōu)化，最終樣品良率已經(jīng)達到了 80% 左右。如果將來(lái)要實(shí)現更成熟、更大規?；闹苽?，還需要依靠專(zhuān)業(yè)的晶圓代工服務(wù)，以及 DUV 深紫外光刻技術(shù)。

將聚焦全量子光芯片的實(shí)現

成日盛博士期間在耶魯大學(xué)唐紅星教授課題組做研究，研究方向是超導納米線(xiàn)單光子探測器及其片上光波導線(xiàn)路的集成。他曾將超導納米線(xiàn)探測器和片上光柵集成，第一次實(shí)現了用超導納米線(xiàn)對單光子波長(cháng)的多路探測[2]?，F就職于 Meta 現實(shí)實(shí)驗室（Meta Reality Labs），做 AR/VR 方面的光學(xué)研究。

成日盛認為，唐教授課題組研究多樣性強，這使得他在研究期間得到物理、集成光學(xué)設計、納米制備、低溫測量等各方面的綜合訓練。他還表示：“唐老師對科研的執著(zhù)熱愛(ài)，以及他嚴謹的工作態(tài)度對我以后的職業(yè)發(fā)展也生了深遠的影響?！?/p>

圖丨成日盛（來(lái)源：成日盛）

周宜雨博士期間在美國羅徹斯特大學(xué)羅伯特·博伊德（Robert Boyd）課題組做非線(xiàn)性光學(xué)和量子光學(xué)的研究，畢業(yè)后來(lái)到唐教授課題組做博后。在該研究中，他參與的相干態(tài)和熱光態(tài)的測量與其博士早期的一段實(shí)驗經(jīng)歷比較相關(guān)?！霸摴ぷ骷由盍宋覍α孔庸鈱W(xué)的理解，未來(lái)我希望能繼續在非線(xiàn)性和量子光學(xué)領(lǐng)域中發(fā)展?！敝芤擞暾f(shuō)。

圖丨周宜雨（來(lái)源：周宜雨）

當然，該技術(shù)在現階段還有一些局限性，例如光纖到芯片之間的低耦合效率等，還需要時(shí)間來(lái)克服或者避免這些問(wèn)題。

從另一方面來(lái)看，該技術(shù)具有便于集成的潛力，因此有可能在一片硅片的正反兩面分別加工出探測器和量子光源，然后量子態(tài)的光源通過(guò)光柵耦合器耦合到探測器一邊。

雖然光纖到光柵耦合器的耦合效率普遍較低，但是兩個(gè)光柵耦合器之間的效率則可提高，而且硅片本身同時(shí)可以作為短波長(cháng)泵浦光的濾波器。因此，該技術(shù)有望將大規模的玻色采樣等裝置集成到同一硅片上。

據悉，該團隊下一步將聚焦量子光源和探測器，以及可控量子光路在同一芯片上的集成，從而實(shí)現全量子光芯片。

參考資料：

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).

2.Cheng, R., Zou, CL., Guo, X. et al. Broadband on-chip single-photon spectrometer. Nature Communications 10, 4104 (2019).