超导纳米线延迟线单光子成像器件进展及应用

单光子成像技术通过对每个光子携带的时空信息进行探测，实现对物体图像的重构。基于超导纳米线的单光子探测器（SNSPD）具有高效率、低时间抖动、宽响应波段的优势，非常适合单光子成像场景的需求。超导纳米线延迟线单光子成像器件是一种新型的单光子成像器件，它利用超导纳米线特有的高动态电感构造低速微波传输线，通过对输出电脉冲进行时间逻辑分析，同步读取光子的到达时刻和空间位置。

图1 超导纳米线单光子探测器

据麦姆斯咨询报道，南京大学电子科学与工程学院和超导电子学研究所的科研团队从超导纳米线延迟线单光子成像器件的设计原理、几何结构和读出方式入手，对基于此成像器件在强背景噪声下的单光子成像进行实验，证明了通过高性能器件和重构算法的联合优化所实现的成像系统性能增强。相关研究内容以“超导纳米线延迟线单光子成像器件进展及应用”为题发表在《激光与光电子学进展》期刊上。

超导纳米线延迟线成像器件

本征的时空双态光子信息读出

利用读出电路对SNSPD探测器阵列进行复用读出，随着阵列规模的提升，读出电路的规模和复杂度也增加。同时，超导探测器所工作的极低温环境又对读出电路的功耗提出了严苛的要求。2017年，美国麻省理工学院的Karl Berggren教授、赵清源博士后及其合作者提出一种无需片上读出电路的超导纳米线单光子成像器件（SNSPI）。如图2所示，SNSPI同样采用超导纳米线作为光探测单元，但不同于传统单个SNSPD的设计，SNSPI中的纳米线被设计为微波传输线的结构。当光子在纳米线位置X处被吸收，会破坏此处纳米线的超导状态，将其激发至电阻态。纳米线超导至电阻态的转变，同时也激发出一对传输方向和极性相反的电脉冲。这种基于时间延迟的读出方式可以应用于超导纳米线单光子探测器的另一个重要原因在于：超导纳米线具有极高的动态电感[~1000倍于纳米线（100 nm宽）的几何电感，如图3]。

图2 超导纳米线延迟线实现光子时空双态读出示意图

图3 超导纳米线微波特性

SNSPI几何结构设计

超导纳米线成像器件由一根连续的纳米线蜿蜒实现。通过控制纳米线的空间蜿蜒结构，可以获得不同形式的面阵和线阵。一种成像器件的设计方式是用一根连续的纳米线同时作为探测器和延迟线，如图4(a)所示。这种设计方式可以使得器件有着较高的有效面积填充率，继承了SNSPD高效率的优势。若采用微带线设计，还能够去除共面波导结构中的接地区域，结合光学腔的优化，能够将总体探测效率提高至50%以上。采用连续的纳米线实现高密度区域，能够实现高的探测效率，但受制于纳米线均匀性的影响，不易于制备大面积的成像器件。另一种设计方式是把超导纳米线分为光响应单元和延迟线两部分，如图4(b)所示。如图4(c)所示，每一个探测单元都是3根5 μm长、100 nm宽的并联纳米线，也叫作超导纳米线雪崩探测器（SNAP）。除了面阵成像器件外，延迟线结构的成像器件也十分适合设计成一维的线阵器件，如图4(d)所示。相比于面阵器件，线阵器件虽然只有一维的空间分辨，但是具有更高的空间分辨率和像素填充率。2019年，耶鲁大学利用一维空间分辨的延迟线成像器和衍射光栅，设计了一种片上单光子光谱仪，延迟线成像器为光谱仪提供了超过200个光谱通道，并具有进一步的扩展性。

图4 不同的超导纳米线延迟线成像器几何结构

SNSPI基本性能表征

以分离型SNSPI面阵成像器件为例，介绍器件的工作原理和基本性能。图5为SNSPI读出电路的原理图。超导纳米线延迟线成像器件的典型脉冲波形如图6(a)所示。

图5 SNSPI读出电路原理图

图6 SNSPI的时空探测基本性能

SNSPD在单光子成像中的应用

在单光子成像中，由于信号光子稀少，因此图像质量受背景光子的影响很严重。当前的一些少光子成像技术利用一些背景噪声去除算法，可以在背景-信号光子比（BSR;RBSR）小于25的条件下恢复出目标物体的三维图像。对于背景噪声这类极其强烈的场景，单光子成像的难点就变成了如何有效地区分信号光子和背景噪声光子。在主动成像中，成像系统接收的信号光子会在时间域上聚集在一起，而背景噪声光子则会均匀分布在整个时间轴上。基于这个原理，信号光子可以通过窄的时间窗口从背景噪声光子中区分开。本课题组制备的SNSPI，所有像元的总时间抖动为60 ps，继承了SNSPD低时间抖动的优点。越低的时间抖动意味着可以使用更窄的时间窗口，从而更有效地去除噪声光子。本课题组在实验上验证了高背景噪声下（RBSR>100）的单光子成像，并证明了SNSPI低时间抖动在单光子成像中的优势。

成像装置

图7所示为基于SNSPI的主动成像系统。一束波长为1550 nm的亚皮秒激光经过准直器和散射片后，辐照到目标物体上。为了模拟背景噪声，将一束波长为1550 nm的连续光直接照射到器件上。两个级联的带通滤波器，可以在0.2~12 μm范围内提供一个以1550 nm为中心、宽度为12 nm的光学通带，从而可以在实际应用中滤除掉大部分背景光子噪声。该成像系统中的红外相机用于在实验中帮助SNSPI找到目标物体的位置，并不参与实际成像。

图7 单光子成像系统

图像重构方法

单光子成像器可以捕捉到每个光子的时间和空间信息，但是直接的成像并没有最大化地利用这些信息，导致成像质量差，甚至在噪声的影响下无法获取图像信息。一方面，传统的光子计数成像中，利用对光子进行长时间的累加，使用光子数来表征图像的强度，利用光子的平均飞行时间来表征物体的深度。当光衰弱到每个像素只有几个光子时，在强泊松噪声的影响下，这样的方法就失效了。此外，单光子成像器对信号光子和噪声光子的采集是不加区分的，背景噪声光子的存在进一步降低了所获图像的信噪比。因此，需要利用好成像过程的数学模型以及一些物体的先验知识，最大化地利用单光子的时空信息，才能重构出清晰的目标图像。

如图8所示，图像的三维重构过程分为三大步。第一步，对所有探测到的光子时间进行统计，得到一个1 ns宽的时间门，并除去这个时间门之外的所有光子。这一步可以消除98%的噪声光子，从而产生一个新的点云Φ₀。第二步，为每一个像素找到一个合适的窄的时间门用于去除噪声，从而形成一个新的点云Φ₃，即三维切片去噪算法（3D slicing denoising algorithm）。第三步，从去噪后的数据中，利用一些成熟的图像重构算法重构出物体的强度和深度图像。

图8 算法处理框图

成像结果分析

在不同的BSR下重复了单光子成像实验。实验中，信号光子水平保持在平均一个像素内包含一个光子，通过评估强度图的峰值信噪比（PSNR）和深度图的平均绝对误差（MAE）来判断不同背景噪声下的成像效果。从图9可以看到，随着BSR的增大，PSNR减小，MAE也减小。

图9 暗计数率

结论

超导纳米线延迟线单光子成像器件是一种新型的超导单光子探测器，它利用超导纳米线特有的高动态电感构建低速微波延迟，通过时间逻辑的方式，实现对光子到达时刻和位置的双重读取。这种基于超导纳米线本身电学性能实现的光子位置读出，避免了使用复杂低温数字电路对超导纳米线单光子探测器阵列进行片上读取，是一种快速实现单光子成像的理想器件；同时，这种本征的读出方式保证了探测器的性能不受读出电路的影响，保留了超导纳米线单光子探测器低时间抖动的优势。因此，SNSPI非常适合基于光子飞行时间测量的单光子成像应用。目前，SNSPI的探测效率还受制于传输线结构导致的低占空比以及缺少集成的光学谐振腔，需要通过同时优化微波和光学设计来实现系统探测效率的提升。成像速度、探测器面积等方面还有很大的提升空间，需要从高性能超导纳米线制备、低温脉冲信号放大、高速时间测量等方面继续优化。SNSPI基于时间延迟的读出方式，无法实现多光子同时到达事件的测量，这将影响SNSPI在较强光辐照下的成像效果。通过分析输出波形的特征，能够做到少数光子数的分辨，但实际应用时，需要匹配高速模数转换器。另外，结合SNSPI探测模型的图像重构算法的优化，也是提升系统成像能力的关键技术之一。