【ZiDongHua 之“自动化学院派”收录关键词： 机器学习 光探测器 微弱光光谱分析技术】
　　
　　文章导读｜综述：超导纳米线单光子探测器助力微弱光光谱分析 -《电磁科学》
　　
　　导　　读
　　
　　光谱分析是人类认识和探索物质世界的重要手段。面向微弱光的高灵敏光谱分析不仅是推动科学发现的重要实验技术，也为光谱信息应用拓展出更广阔的空间，在天文观测、遥感测量、生物医学和材料研究等科学技术领域有广泛的应用。
 
 
　　
　　提升光探测器的灵敏度是提升微弱光条件下光谱分析性能最直接和有效的方法。超导纳米线单光子探测器（Superconducting Nanowire Single-Photon Detector, 简称SNSPD）是一类灵敏度极高的光探测器，具备对单个光子进行高效探测与计数测量的能力，为微弱光光谱分析提供了新的技术手段，近年来受到广泛关注。
　　
　　清华大学电子工程系黄翊东教授、张巍教授团队在Electromagnetic Science期刊发表了综述论文“Photon-Counting Spectrometers Based on Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors”，系统介绍了利用SNSPD实现光子计数光谱仪的原理和方法，以及近年来该技术的重要进展和发展方向。
 
　　
　　Citation: Mingzhong Hu, Jingyuan Zheng, Kaiyu Cui, et al., “Photon-counting spectrometers based on superconducting nanowire single-photon detectors,” Electromagnetic Science, vol. 2, no. 3, article no. 0070191, 2024.
　　
　　DOI: 10.23919/emsci.2024.00191
　　
　　光谱仪的数学模型和分类
　　
　　实现光谱分析功能的仪器称为光谱仪，它通过光学测量得到待测光在不同波长（或频率）处的光强分布。各种类型的光谱仪都可以通过图1（a）所示的数学模型来描述：待测光经过光谱仪光学系统后被光探测器阵列探测，光学系统对每个探测器的波长响应加载不同的调制。这里，波长响应是指光探测器在不同波长的单色光入射下光强和探测输出信号之间的关系。实际光谱分析中，根据各光探测器的输出信号和预先标定的波长响应，即可计算恢复出待测光的光谱。这一简单的模型可以描述传统的光栅分光型光谱仪和傅里叶变换光谱仪的原理。这两类光谱仪具有完全不同的光学系统，相应的光探测器波长响应如图1（b）和（c）所示，分别呈现出分立的窄带响应和正弦函数型响应。
　　
　　近年来，重建式光谱仪发展迅速。这类光谱仪往往通过光学芯片为光探测器的波长响应加载相关性低的随机调制，如图1（d）所示。借助压缩感知和机器学习等算法，这种光谱分析技术可以利用很少数目的光探测器实现较多波长采样点数的光谱测量和重建，提高了光谱仪系统设计的灵活性，并有助于实现光谱仪的小型化与芯片集成。
 
　　
　　图1 光谱仪的数学模型和分类 
　　
　　（a）光谱仪的数学模型（b）窄带滤波或光栅分光型光谱仪的波长响应（c）傅里叶变换光谱仪的波长响应（d）重建式光谱仪的波长响应
　　
　　2SNSPD的机理和优势
　　
　　SNSPD中的超导纳米线常用材料包括NbN、NbTiN、WSi等，典型厚度为几个纳米，宽度在百纳米左右。SNSPD实现单光子探测的机理源自超导纳米线吸收单光子后超导状态的改变。自2001年被提出以来，SNSPD的性能不断提升，已具备宽工作波段（覆盖从可见光波段到中红外波段）、近理想探测效率和极低暗计数（<10-4Hz）等优异性能，在量子通信、量子计算和量子传感等领域得到广泛应用。同时，超导纳米线的薄膜结构适合集成到各类微纳光学芯片上，为发展新型微弱光光谱分析技术提供了新的技术途径。
　　
　　为直观展示SNSPD在灵敏度方面的优势，文中计算并比较了包括SNSPD在内多种类型高灵敏度光探测器，在不同光子流密度下经过1秒曝光时间能够达到的探测信噪比（如图2所示）。结果表明在可见光波段和近红外波段，SNSPD表现均接近理想探测器（无暗计数，信噪比仅受限于泊松统计抖动）。尤其在近红外波段，相对于常用的InGaAs雪崩二极管单光子探测器和焦平面阵列，SNSPD在灵敏度上有明显优势。
 
　　
　　图2 不同类型光探测器的灵敏度比较
　　
　　3基于SNSPD的光子计数光谱仪研究进展
　　
　　论文系统综述了利用SNSPD实现高性能光子计数光谱仪的研究进展。目前的工作大体分为两类，一类采用传统光谱仪光路，利用分立的SNSPD探测系统超高的探测灵敏度提升光谱仪性能。比如，将待测光经过单色仪或波长调谐滤波器后送入SNSPD探测，通过波长扫描实现光谱分析功能，此类光谱仪已在微观物理研究和大气监测中得到实际应用。
　　
　　另一类通过将SNSPD的超导纳米线与微纳光学结构集成在同一芯片实现光谱仪分析功能。通过在芯片上实现罗兰圆或阵列波导光栅等传统分光滤波结构和SNSPD（阵列）集成，可省去传统光谱仪的光学系统，简化SNSPD的应用。更进一步地引入重建式光谱仪的概念，通过片上微纳结构对共同集成的SNSPD实现低相关性的波长响应调制，可更加灵活地实现基于压缩感知的光谱分析器件。目前有多种光学结构和物理机制可用于对片上SNSPD的波长响应进行灵活调制，包括随机散射结构，光学超表面，超导纳米线级联吸收和偏置电流调控等。图3给出了一个典型器件的示意图和样品显微镜照片。在这个器件中SNSPD阵列的超导纳米线被制备在光学超表面阵列的微孔间隙中，不同结构参数的光学超表面为SNSPD带来不同的波长响应调制。
 
　　
　　图3 基于光学超表面的重建式SNSPD光谱仪
　　
　　（a）器件示意图（b）电子显微镜下样品照片
　　
　　总结与展望
　　
　　论文综述表明SNSPD的高灵敏度特性在微弱光光谱分析应用上有巨大潜力，片上微纳光学结构和SNSPD的结合为发展重建式SNSPD光谱仪提供了广阔的机理和结构创新空间。通过在光子计数光谱分析理论，单光子探测光谱分析器件和面向计数测量的光谱重建算法等方面进一步的深入研究，可以预见SNSPD将助力微弱光光谱分析技术不断提升性能，拓展应用，推动人类科学探索和技术进步。