近日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所尤立星/李浩團隊、陶虎團隊，聯合上海交通大學王增琦團隊，結合超導納米線單光子探測技術、雙光子3D打印編碼濾波技術、計算重構技術等實現單光子計數型光譜分析儀。相關成果以Superconducting Single-Photon Spectrometer with 3D-Printed Photonic-Crystal Filters為題，在線發表在ACS Photonics上，并被選為當期副封面論文。

　　光譜作為物質的指紋，是人類認知世界的有效手段，在科學研究、生物醫藥等領域已有了較為普遍的應用。目前，單光子源表征、熒光探測、分子動力學、電子精細結構等領域的光譜測量已達到量子水平，例如，生物、化學和納米材料領域需要對單個原子、分子、雜質等微弱光譜進行探測分析。這些光譜覆蓋范圍廣、強度弱，因而對寬譜、高靈敏度、高分辨率的光譜探測器存在迫切需求。傳統的半導體探測器如光電倍增管（PMT）、雪崩二極管（SPAD）等雖然實現了單光子靈敏度的探測，但存在近紅外探測效率低、噪聲大、探測譜寬有限等問題。近年來，快速發展起來的超導納米線單光子探測器（SNSPD）因高效率（>90%）、低暗計數（<0.1cps）、低抖動（~3ps ）、寬譜（可見～紅外）的優異性能，在眾多領域得到應用。將SNSPD集成到光譜分析儀中，不僅能夠實現極弱光的光譜測量，而且具備非常寬的工作范圍，在量子信息技術、天文光譜、分子光譜等領域具有重要的應用價值。 

　　該工作中，合作團隊利用超導單光子探測器的高效、寬譜等性能優勢，設計制備4*4陣列型偏振不敏感超導單光子探測器，借助雙光子3D打印技術的靈活性在每個探測器像元上制備光子晶體編碼濾波器，通過分析探測像元光譜響應特性等建立了計算光譜重構問題的數學模型，最終實現光子計數型光譜分析儀。該光譜分析儀工作范圍覆蓋1200~1700nm，靈敏度達到-108.2dBm，分辨率為~5nm。與當前商業光譜儀的靈敏度（一般靈敏度在-60~90dBm）相比，有兩個數量級以上的提升，為單光子源表征、前沿天文光譜學、熒光成像、遙感、波分復用量子通信等微弱光譜分析領域的研究提供了有效的解決方案。

　　研究得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、上海市量子重大專項、上海市“啟明星”計劃、中科院青年創新促進會等的支持。 

　　論文鏈接 

　　

　　圖1.集成3D-打印濾波器的超導單光子光譜儀概念圖 

　　 

　　圖2.器件結構及工作原理示意圖 

　　 

　　圖3.光譜分析效果圖