自2001年被發明以來，超導納米線單光子探測器（SNSPD）迅速成長為近紅外波段的明星光子探測器，其在近紅外波段如1550 nm處系統探測效率超過95%，暗計數率低于1 cps（counts per second），時間抖動優于10 ps，探測速率高于1 GHz，并廣泛應用在量子信息領域。近年來，研究人員開始將SNSPD引入到生物領域，以替代在近紅外波段具有低信噪比、多后脈沖的半導體單光子探測器。

據麥姆斯咨詢報道，針對該領域發展概況，賦同量子科技（浙江）有限公司與中國科學院上海微系統與信息技術研究所的科研團隊進行了綜述分析，包括SNSPD的探測原理和性能指標，并系統地闡述SNSPD在生物領域中的應用現狀和發展前景。相關研究內容以“超導單光子探測器在生物領域中的應用進展（特邀）”為題發表在《激光與光電子學進展》期刊上。

SNSPD的發展與研究現狀

1911年，荷蘭科學家Onnes發現純汞在溫度低于4.2 K時，其電阻突然降到0，并將這種新奇狀態命名為超導態。零電阻是當材料溫度低于某個臨界溫度時，材料里的自由電子不再互相排斥，而是在晶格的作用下兩兩配對（Cooper pair，庫珀對），形成的一種特殊凝聚態。超導體也存在能隙，常見低溫超導材料如Nb、NbN、NbTiN、MoSi、WSi等，能隙均在meV量級，相比近紅外波段光子能量（~1 eV左右）低接近3個數量級。2003年左右，SNSPD的低暗計數率、無后脈沖、極低抖動等獨特性能和高探測效率、高計數率等潛在性能率先引起了20世紀末興起的量子信息領域的青睞，隨后蓬勃發展的量子信息領域進一步引發了SNSPD的研究熱潮和性能快速迭代。

目前國際上有20余家SNSPD研究單位，國外有：美國的麻省理工學院、國家標準與技術研究所、噴氣動力實驗室、耶魯大學；日本的國立情報與通信研究所；俄羅斯的莫斯科師范大學；荷蘭的代爾夫特理工大學；瑞士的日內瓦大學；英國格拉斯哥大學等。國內的研究單位包括中國科學院上海微系統與信息技術研究所（簡稱上海微系統所）、南京大學、天津大學等。在產業化方面，SNSPD也呈現出較好的發展態勢，目前全球已經出現7家以SNSPD為核心產品的中小型高科技公司，包括Photon Spot（美國）、Quantum Opus（美國）、Scontel（俄羅斯）、Single Quantum（荷蘭）、ID Quantique（瑞士）、Pixel Photonics（德國）和賦同量子（PHOTEC，中國）。可以看出，在核心性能指標方面，SNSPD在近紅外波段已經遠超半導體同行，其系統探測效率超過95%@1550 nm，暗計數率低至1 cps（counts per second）以下，時間抖動優于20 ps，計數率高于1 GHz等。據不完全統計，截至2023年，全球SNSPD探測系統累計出貨量接近1000臺套。

SNSPD的探測原理和核心性能參數

SNSPD探測原理

SNSPD一般是由一根超薄、超細的納米線條蜿蜒曲折構成，其典型厚度在5~10 nm之間，與超導Ginzburg-Landu相干長度相當，典型寬度在50~100 nm之間，是厚度的10倍或以上，從幾何上可以描述成一個準二維系統，從電路結構上可以描述為一個動態電感L?和一個時變電阻R?（t）的串聯，如圖1（b）所示。SNSPD主要是基于光子破壞超導庫珀對進而使得器件從超導態跳變到正常態實現光子探測，研究人員先后提出了多種光子探測機理模型，主要有熱點模型、擴散熱點模型、渦旋成核模型、渦旋穿越模型、超導相位滑移模型等，但迄今為止沒有哪一種單一的模型能解釋所有的實驗現象。本文主要介紹最為經典和通俗易懂的唯象模型——熱點模型。

圖1 SNSPD的“熱點模型”探測機理

SNSPD系統性能指標

系統探測效率（SDE）是單光子探測器最核心的指標，即實際探測到的由光子引起的輸出響應脈沖數與入射光子數之間的比值，是一個無量綱單位。系統探測效率受很多因素的影響，主要包括光耦合效率、光吸收效率和光響應效率等。其中，光耦合效率主要是光子入射到探測器光敏面上的概率，與入射光場與探測器光敏面阻抗、模式匹配等相關。通過優化工藝流程制備更大光敏面器件或者利用透鏡［圖2（a）］等手段聚焦光場可以將光耦合效率提升至接近100%。

圖2 三種提高系統探測效率的方法

暗計數率（DCR）指沒有光子入射情況下器件產生的和光子響應類似的輸出信號，是一種誤發信號，一般包括器件在電路偏置以后自發產生的計數及系統雜散光引起的計數，以每秒產生的個數來表達，單位為cps。如圖3（a）所示，SNSPD器件的暗計數率曲線隨著偏置電流增加首先緩慢增加，接近臨界電流時，迅速呈指數形式增加。前者主要與光纖引入的黑體輻射相關，稱為“背景暗計數”。后者與納米線條的缺陷、工作溫度等因素相關，稱為“本征暗計數”。

圖3 暗計數率

時間抖動（TJ）又稱儀器響應函數（IRF），是指從光信號輸入到電信號輸出的間隔時間的不確定性，一般以半峰全寬（FWHM）來定義，在特殊應用場景下需要考慮1/10高全寬（FWTM）。時間抖動越小，意味著探測器的時間分辨度和精確度越好，對探測器在時間精度相關領域的應用有著決定性的影響。如圖4所示，SNSPD時間抖動呈高斯分布，而SPAD的時間抖動存在拖尾。

圖4 SNSPD與SPAD抖動對比圖

計數率是指SNSPD器件在單位時間內光子觸發并響應的電脈沖數量。而基于“熱點”模型，SNSPD接收一個光子并產生響應后，將有一段從無法探測光子到探測效率逐漸恢復的過程，這段時間被稱為SNSPD的死時間。計數率通常與死時間成反比，主要影響因素有器件自身的動態電感、外部的偏置讀出電路等。

單光子探測器一般只能對一定光譜范圍內的光子產生響應，常規的半導體單光子探測器一般采用半導體材料如Si、InGaAs等，其能隙在1 eV左右，與近紅外波段光子能量相近，最遠探測波段只能到1700 nm。

SNSPD在生物領域的應用

按照成像原理，生物成像可以分為光學方法和非光學方法。光學方法是指利用生物體的特定光學特性如透射、反射、吸收、熒光等的空間、時間變化來獲得光學圖像，主要包括寬場熒光顯微鏡、共聚焦顯微鏡、多光子顯微鏡、熒光壽命成像、漫反射光譜等方法。相較于非光學方法，如計算機層析成像（CT）、核磁共振成像（MRI）等，光學成像方法具有較多優勢，如不存在電離輻射、分辨率較高、可實現特異性標記等。

探測器是生物光學成像中的核心部件，目前常用的探測器一般為半導體探測器，包含少光子靈敏的CMOS和CCD以及單光子靈敏的PMT、SPAD、SiPM等。相比上述探測器，SNSPD的主要優勢如下：1）在近/中紅外波段具有單光子靈敏度，且具有高達90%以上的系統探測效率和低至1 cps的暗計數率，信噪比相比半導體探測器可以提高2~3個數量級，在熒光激發效率較低的應用中有明顯優勢；2）SNSPD無后脈沖和低時間抖動，在熒光壽命成像、熒光相關光譜等時間相關應用中具有明顯優勢。依托上述優勢，近年來部分研究小組將SNSPD引入到生物成像領域。

圖5 近紅外Ⅱ/Ⅲ區熒光共聚焦顯微鏡

圖6 基于PMT和SNSPD熒光壽命探測系統性能對比

圖7 基于SNSPD的單線態氧熒光探測系統

圖8 基于SNSPD的漫反射相關光譜系統

SNSPD未來發展趨勢

盡管SNSPD有諸多出色的優勢，但至今尚未廣泛用于生物成像領域。主要限制如下：相對PMT探測器，SNSPD有效光敏面小，一般直徑在15~50 μm之間，導致光學對準困難；相對CCD、CMOS、SPAD等探測器，其陣列像元數較少，無法實時成像等；另外，其工作溫度較低（~2 K），需要體積龐大的低溫冷卻系統等。針對以上問題，本文逐一介紹SNSPD的解決方案和發展趨勢。

SNSPD的核心結構是由數十至百納米寬的超導線條蜿蜒而成，納米線缺陷數量會隨著納米線長度增加而增加，導致大光敏面SNSPD器件制備成品率極低。隨著技術進步，SMSPD有望在未來實現cm2尺度的超大光敏面，不過其實用化的主要問題在于為了使臨界電流接近拆對電流，SMSPD工作溫度需要更低，一般在1 K以下，下一步發展趨勢是提高SMSPD的工作溫度。

紅外探測器的發展一般沿著單元器件、小規模多元探測器、線列和小規模二維面陣、大規模焦平面陣列的路線。與常規的面探測器不同，SNSPD是線探測器，其陣列結構可以更加多樣化，比如常規的具有空間位置分辨的N×M結構、多根線并行纏繞結構、基于延時線的陣列結構等（圖9）。目前SNSPD還停留在小規模多元探測器階段，陣列數量一般小于100，在激光雷達、量子通信等研究中得到初步應用。

圖9 紅外探測器陣列結構

SNSPD一般采用低溫超導材料，如NbN、NbTiN等，需要工作在液氦溫區以下，因此SNSPD探測系統主要包括制冷系統、真空系統和電子學系統三大部分，商業化系統效果圖如圖10所示。

圖10 商業化SNSPD探測系統QEye實物圖

結束語

21世紀初興起的SNSPD技術有效助力了我國量子信息領域的快速發展。與半導體單光子探測器如PMT和SPAD相比，SNSPD在近紅外波段具有更高的效率、更低的噪聲、更高的計數率、更低的抖動且無后脈沖。近年來，SNSPD逐步邁出量子信息領域，成為生物成像、激光雷達、深空通信等弱光探測應用的選擇之一。以SNSPD的基本工作原理為基礎，討論了重要性能指標的影響因素，著重介紹SNSPD在生物成像方面的最新應用進展。

當前，我國在SNSPD方面具備較好的技術儲備和商業化公司，但依然處于發展的黃金上升期。預計未來SNSPD會在生物成像領域驅動下朝著大光敏面、小規模陣列、更高工作溫度、更遠工作波段等方向發展，而探測器性能的提高將進一步拓展SNSPD在生物成像領域中的應用范圍，并且有希望助力近紅外Ⅲ區生物成像的首次實現。

論文信息：

DOI: 10.3788/LOP232429

審核編輯：劉清