从单模到多模：面向自由空间的高机能SNSPD技术迭代
引言
引言
基于单模光纤耦合的超导纳米线单光子探测器（SNSPD）凭借高探测效能和低暗计数等主题肠能优势，已成为量子信息领域的主题探测器件，利用价值持续凸显。但随着利用场景从不变可控的光纤链路，逐步延长至复杂多变的自由空间光链路，SNSPD的工程利用面对多沉严苛挑战：信路偏振随机扰动、空间光模式散布复杂、环境布景光滋扰强、光路耦合状态动态颠簸，同时还需两整系统幼型化、工程环境不变性蹬撞性要求，传统单模耦合探测规划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钻研所李浩团队在 Photonics Research 颁发题为 Multimode-fiber-coupled superconducting nanowire single-photon detector for free-space quantum applications 的钻研论文，报路了一种面向自由空间利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讯、激光雷达、弱光成像等场景中的主题探测难题，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”的解决规划，在多模光纤耦合前提下实现了81%的系统探测效能和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利用必要多模光纤？
在传统光纤量子通讯系统中，单模光纤耦合SNSPD能够实现极高的系统探测效能和极低暗计数，好比4688美高梅量子的Cooper Quiet系列能够同时实现90%探测效能@0.5 cps暗计数率和85%探测效能@0.1 cps暗计数率，因而被宽泛用于量子通讯、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分歧，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成分影响。达到接管端时，光场往往不再是不变、梦想的单一空间模式。
在这种情况下，若是持续使用单模光纤，幼芯径和低数值孔径会显著提高耦合难度，限度现实收光能力。相比之下，多模光纤拥有更大的芯径和更高的数值孔径，更容易网络自由空间中的弱光信号，也更适合复杂光场前提下的工程化接管系统。
但多模光纤也带来了新的挑战：它在接管更多信号光的同时，也会引入更多布景光、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的偏振依赖问题越发凸起。
单一来说，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通常选取蛇形超导纳米线结构。由于纳米线自身拥有几何各向异性，分歧偏振方向的入射光会产生分歧的吸收效能。对于单模光纤系统，能够通过偏振节造进行优化；但在多模光纤系统中，偏振态会在传输过程中随机变动，这种步骤并不现实。
为相识决这一问题，上海微系统所团队设计了介质赔偿双层纳米线结构。论文当选取NbN/SiO2/NbN夹层式双层纳米线，并结合a-Si/SiO2周期性介质赔偿层和DBR反射结构，对光场散布进行调控，从而平衡平行偏振与垂直偏振光的吸收差距。该结构不是单一“加厚”吸收层，而是通过精密的光学结构设计，让器件在1.5 μm通讯波段获得更高、更不变的吸收效能。
尝试了局显示，在未集成滤波器时，该多模光纤耦合SNSPD在1.5 μm左近实现了88%的系统探测效能。
图 1. 高效能、偏振不敏感SNSPD的设计结构和仿真了局
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。由于多模光纤可能传输更多空间模式，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，严沉限度系统的信噪比。
传统规划通常是在低温环境中参与独立带通滤波器，但这会增长系统体积、装调复杂度和潜在插入损耗，不利于SNSPD系统的幼型化与工程集成。
上海微系统所团队选取了一种更紧凑的方式：将带通滤波器直接造备在光纤端面上。钻研团队使用Ta2O5/SiO2等介质资料，在多模光纤端面造备带通滤波膜，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的带表抑造能力，可能有效反对非指标波段的热光子进入探测器。
图 2. 多模光纤耦合的滤波规划
图 3. 实测机能曲线
最终，集成双级光纤端面滤波器后，器件在维持81%系统探测效能的同时，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能、暗计数率和噪声等效功率之间获得了优异平衡。
从单模到多模到自由空间耦合：SNSPD走向复杂利用环境
上海微系统所这项成就注明，多模光纤耦合SNSPD并不用然意味着效能降落和噪声失控。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治理，能够让SNSPD在复杂自由空间接管环境中维持高机能工作。
依附上海市科委的专项支持，团队将在2026年底实现技术迭代，搭载超低振动GM造冷机，正式推出全新自由空间耦合SNSPD系统。该系统可高效捕获幽微光子信号、精准屏蔽环境杂散噪声，实现“多收光子、严控噪声”的主题指标，为SNSPD从尝试室精准探测走向规；稻袄弥牢主题基础，也将是下一代高机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
