南京大学成功研制出超导单探测器光谱仪

光谱学主要研究光和物质之间的相互作用与波长之间的关系，广泛应用于基础研究和工程技术的各个方面。传统的光谱仪都需要一些色散或干涉元件，结构复杂、制备困难、价格比较昂贵，而且光谱通道数有限。另一方面，单光子探测器的研究近年来也十分受到重视，尤其是超导纳米线单光子探测器 （SNSPD） 是一个很有前途的选择，其光谱响应范围宽（从紫外线到中红外）、量子效率高、时间抖动小、计数速率高、暗计数低，还可以与纳米光电路实现片上集成。但是，到目前为止，单光子探测器仅用来记录光子的有无和多少，并没有关心入射光子的波长特性。

图1.超导纳米线单探测器光谱仪概念图

南京大学吴培亨院士团队首次在两者的结合上取得突破，他们利用超导纳米线单光子探测器固有的非线性光谱调制特性，结合计算光谱仪方法，实现了单探测器光谱仪（single-detector spectrometer, SDS）。这是一种最简化的光谱仪，摆脱了对光学分光器件的需求，通过编程探测器测量过程并结合计算重构算法，就能够对入射光谱进行分辨。实验演示了从660nm至1900nm的宽带测量能力，并在通信波段实现了优于10nm的光谱分辨率。同时，该团队还将激光雷达同单探测器光谱仪结合，演示了多光谱激光雷达功能。

图2.将超导纳米线单探测器光谱仪方法应用至多光谱单光子激光雷达，在获得三维图像的同时，实现了观测目标的光谱测量。

该工作为开启SNSPD在光谱测量中的应用提供了一条新的实现途径。相关研究工作以"A single-detector spectrometer using a superconducting nanowire"为题发表在国际著名期刊《Nano Letters》(Impact factor: 11.189 )上[https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c03393]。审稿人称这是一个将SNSPD内禀特性进行应用的巧妙工作("This is a very clever application of the SNPSD's intrinsic current-bias vs responsivity curve to extract additional information from incoming photons.")。光谱仪的灵敏度主要取决于其中的探测器。结合高性能的SNSPD，这种光谱仪将在极端弱光环境下发挥着重要的作用，例如生物荧光成像、激光光谱雷达和天文观测。

南京大学电子科学与工程学院博士生孔令东为文章第一作，赵清源教授和陈健教授为论文的通讯作者。涂学凑高工、张蜡宝教授、贾小氢教授和康琳教授协助探测器方面的制备，物理学院吴兴龙教授给予论文修改和数据分析上的大力帮助，吴培亨院士对本工作进行深入指导。该项研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中央高校等基金项目的资助。此项研究工作还得到海外高层次人才计划（青年），江苏省双创、江苏高校优势学科建设工程，江苏省青蓝工程，江苏省电磁波特征信息调控技术重点实验室、紫金山网络通信与安全实验室的资助。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c03393