0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看威廉希尔官方网站 视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

超导单光子探测器在生物领域中的应用进展综述

MEMS 来源:MEMS 2024-05-31 09:31 次阅读

自2001年被发明以来,超导纳米线单光子探测器(SNSPD)迅速成长为近红外波段的明星光子探测器,其在近红外波段如1550 nm处系统探测效率超过95%,暗计数率低于1 cps(counts per second),时间抖动优于10 ps,探测速率高于1 GHz,并广泛应用在量子信息领域。近年来,研究人员开始将SNSPD引入到生物领域,以替代在近红外波段具有低信噪比、多后脉冲的半导体单光子探测器。

据麦姆斯咨询报道,针对该领域发展概况,赋同量子科技(浙江)有限公司与中国科学院上海微系统与信息威廉希尔官方网站 研究所的科研团队进行了综述分析,包括SNSPD的探测原理和性能指标,并系统地阐述SNSPD在生物领域中的应用现状和发展前景。相关研究内容以“超导单光子探测器在生物领域中的应用进展(特邀)”为题发表在《激光与光电子学进展》期刊上。

SNSPD的发展与研究现状

1911年,荷兰科学家Onnes发现纯汞在温度低于4.2 K时,其电阻突然降到0,并将这种新奇状态命名为超导态。零电阻是当材料温度低于某个临界温度时,材料里的自由电子不再互相排斥,而是在晶格的作用下两两配对(Cooper pair,库珀对),形成的一种特殊凝聚态。超导体也存在能隙,常见低温超导材料如Nb、NbN、NbTiN、MoSi、WSi等,能隙均在meV量级,相比近红外波段光子能量(~1 eV左右)低接近3个数量级。2003年左右,SNSPD的低暗计数率、无后脉冲、极低抖动等独特性能和高探测效率、高计数率等潜在性能率先引起了20世纪末兴起的量子信息领域的青睐,随后蓬勃发展的量子信息领域进一步引发了SNSPD的研究热潮和性能快速迭代。

目前国际上有20余家SNSPD研究单位,国外有:美国的麻省理工学院、国家标准与威廉希尔官方网站 研究所、喷气动力实验室、耶鲁大学;日本的国立情报与通信研究所;俄罗斯的莫斯科师范大学;荷兰的代尔夫特理工大学;瑞士的日内瓦大学;英国格拉斯哥大学等。国内的研究单位包括中国科学院上海微系统与信息威廉希尔官方网站 研究所(简称上海微系统所)、南京大学、天津大学等。在产业化方面,SNSPD也呈现出较好的发展态势,目前全球已经出现7家以SNSPD为核心产品的中小型高科技公司,包括Photon Spot(美国)、Quantum Opus(美国)、Scontel(俄罗斯)、Single Quantum(荷兰)、ID Quantique(瑞士)、Pixel Photonics(德国)和赋同量子(PHOTEC,中国)。可以看出,在核心性能指标方面,SNSPD在近红外波段已经远超半导体同行,其系统探测效率超过95%@1550 nm,暗计数率低至1 cps(counts per second)以下,时间抖动优于20 ps,计数率高于1 GHz等。据不完全统计,截至2023年,全球SNSPD探测系统累计出货量接近1000台套。

SNSPD的探测原理和核心性能参数

SNSPD探测原理

SNSPD一般是由一根超薄、超细的纳米线条蜿蜒曲折构成,其典型厚度在5~10 nm之间,与超导Ginzburg-Landu相干长度相当,典型宽度在50~100 nm之间,是厚度的10倍或以上,从几何上可以描述成一个准二维系统,从电路结构上可以描述为一个动态电感Lₖ和一个时变电阻Rₙ(t)的串联,如图1(b)所示。SNSPD主要是基于光子破坏超导库珀对进而使得器件从超导态跳变到正常态实现光子探测,研究人员先后提出了多种光子探测机理模型,主要有热点模型、扩散热点模型、涡旋成核模型、涡旋穿越模型、超导相位滑移模型等,但迄今为止没有哪一种单一的模型能解释所有的实验现象。本文主要介绍最为经典和通俗易懂的唯象模型——热点模型。

1b9bd844-1e9f-11ef-91d2-92fbcf53809c.jpg

图1 SNSPD的“热点模型”探测机理

SNSPD系统性能指标

系统探测效率(SDE)是单光子探测器最核心的指标,即实际探测到的由光子引起的输出响应脉冲数与入射光子数之间的比值,是一个无量纲单位。系统探测效率受很多因素的影响,主要包括光耦合效率、光吸收效率和光响应效率等。其中,光耦合效率主要是光子入射到探测器光敏面上的概率,与入射光场与探测器光敏面阻抗、模式匹配等相关。通过优化工艺流程制备更大光敏面器件或者利用透镜[图2(a)]等手段聚焦光场可以将光耦合效率提升至接近100%。

1bbda32a-1e9f-11ef-91d2-92fbcf53809c.jpg

图2 三种提高系统探测效率的方法

暗计数率(DCR)指没有光子入射情况下器件产生的和光子响应类似的输出信号,是一种误发信号,一般包括器件在电路偏置以后自发产生的计数及系统杂散光引起的计数,以每秒产生的个数来表达,单位为cps。如图3(a)所示,SNSPD器件的暗计数率曲线随着偏置电流增加首先缓慢增加,接近临界电流时,迅速呈指数形式增加。前者主要与光纤引入的黑体辐射相关,称为“背景暗计数”。后者与纳米线条的缺陷、工作温度等因素相关,称为“本征暗计数”。

1be025da-1e9f-11ef-91d2-92fbcf53809c.jpg

图3 暗计数率

时间抖动(TJ)又称仪器响应函数(IRF),是指从光信号输入到电信号输出的间隔时间的不确定性,一般以半峰全宽(FWHM)来定义,在特殊应用场景下需要考虑1/10高全宽(FWTM)。时间抖动越小,意味着探测器的时间分辨度和精确度越好,对探测器在时间精度相关领域的应用有着决定性的影响。如图4所示,SNSPD时间抖动呈高斯分布,而SPAD的时间抖动存在拖尾。

1c01566a-1e9f-11ef-91d2-92fbcf53809c.jpg

图4 SNSPD与SPAD抖动对比图

计数率是指SNSPD器件在单位时间内光子触发并响应的电脉冲数量。而基于“热点”模型,SNSPD接收一个光子并产生响应后,将有一段从无法探测光子到探测效率逐渐恢复的过程,这段时间被称为SNSPD的死时间。计数率通常与死时间成反比,主要影响因素有器件自身的动态电感、外部的偏置读出电路等。

单光子探测器一般只能对一定光谱范围内的光子产生响应,常规的半导体单光子探测器一般采用半导体材料如Si、InGaAs等,其能隙在1 eV左右,与近红外波段光子能量相近,最远探测波段只能到1700 nm。

SNSPD在生物领域的应用

按照成像原理,生物成像可以分为光学方法和非光学方法。光学方法是指利用生物体的特定光学特性如透射、反射、吸收、荧光等的空间、时间变化来获得光学图像,主要包括宽场荧光显微镜、共聚焦显微镜、多光子显微镜、荧光寿命成像、漫反射光谱等方法。相较于非光学方法,如计算机层析成像(CT)、核磁共振成像(MRI)等,光学成像方法具有较多优势,如不存在电离辐射、分辨率较高、可实现特异性标记等。

探测器是生物光学成像中的核心部件,目前常用的探测器一般为半导体探测器,包含少光子灵敏的CMOS和CCD以及单光子灵敏的PMT、SPAD、SiPM等。相比上述探测器,SNSPD的主要优势如下:1)在近/中红外波段具有单光子灵敏度,且具有高达90%以上的系统探测效率和低至1 cps的暗计数率,信噪比相比半导体探测器可以提高2~3个数量级,在荧光激发效率较低的应用中有明显优势;2)SNSPD无后脉冲和低时间抖动,在荧光寿命成像、荧光相关光谱等时间相关应用中具有明显优势。依托上述优势,近年来部分研究小组将SNSPD引入到生物成像领域。

1c24e1c0-1e9f-11ef-91d2-92fbcf53809c.jpg

图5 近红外Ⅱ/Ⅲ区荧光共聚焦显微镜

1c566088-1e9f-11ef-91d2-92fbcf53809c.jpg

图6 基于PMT和SNSPD荧光寿命探测系统性能对比

1c6e7b46-1e9f-11ef-91d2-92fbcf53809c.jpg

图7 基于SNSPD的单线态氧荧光探测系统

1c900266-1e9f-11ef-91d2-92fbcf53809c.jpg

图8 基于SNSPD的漫反射相关光谱系统

SNSPD未来发展趋势

尽管SNSPD有诸多出色的优势,但至今尚未广泛用于生物成像领域。主要限制如下:相对PMT探测器,SNSPD有效光敏面小,一般直径在15~50 μm之间,导致光学对准困难;相对CCD、CMOS、SPAD等探测器,其阵列像元数较少,无法实时成像等;另外,其工作温度较低(~2 K),需要体积庞大的低温冷却系统等。针对以上问题,本文逐一介绍SNSPD的解决方案和发展趋势。

SNSPD的核心结构是由数十至百纳米宽的超导线条蜿蜒而成,纳米线缺陷数量会随着纳米线长度增加而增加,导致大光敏面SNSPD器件制备成品率极低。随着威廉希尔官方网站 进步,SMSPD有望在未来实现cm²尺度的超大光敏面,不过其实用化的主要问题在于为了使临界电流接近拆对电流,SMSPD工作温度需要更低,一般在1 K以下,下一步发展趋势是提高SMSPD的工作温度。

红外探测器的发展一般沿着单元器件、小规模多元探测器、线列和小规模二维面阵、大规模焦平面阵列的路线。与常规的面探测器不同,SNSPD是线探测器,其阵列结构可以更加多样化,比如常规的具有空间位置分辨的N×M结构、多根线并行缠绕结构、基于延时线的阵列结构等(图9)。目前SNSPD还停留在小规模多元探测器阶段,阵列数量一般小于100,在激光雷达、量子通信等研究中得到初步应用。

1cb8417c-1e9f-11ef-91d2-92fbcf53809c.jpg

图9 红外探测器阵列结构

SNSPD一般采用低温超导材料,如NbN、NbTiN等,需要工作在液氦温区以下,因此SNSPD探测系统主要包括制冷系统、真空系统和电子学系统三大部分,商业化系统效果图如图10所示。

1ce327fc-1e9f-11ef-91d2-92fbcf53809c.jpg

图10 商业化SNSPD探测系统QEye实物图

结束语

21世纪初兴起的SNSPD威廉希尔官方网站 有效助力了我国量子信息领域的快速发展。与半导体单光子探测器如PMT和SPAD相比,SNSPD在近红外波段具有更高的效率、更低的噪声、更高的计数率、更低的抖动且无后脉冲。近年来,SNSPD逐步迈出量子信息领域,成为生物成像、激光雷达、深空通信等弱光探测应用的选择之一。以SNSPD的基本工作原理为基础,讨论了重要性能指标的影响因素,着重介绍SNSPD在生物成像方面的最新应用进展。

当前,我国在SNSPD方面具备较好的威廉希尔官方网站 储备和商业化公司,但依然处于发展的黄金上升期。预计未来SNSPD会在生物成像领域驱动下朝着大光敏面、小规模阵列、更高工作温度、更远工作波段等方向发展,而探测器性能的提高将进一步拓展SNSPD在生物成像领域中的应用范围,并且有希望助力近红外Ⅲ区生物成像的首次实现。

论文信息:

DOI: 10.3788/LOP232429



审核编辑:刘清

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 半导体
    +关注

    关注

    334

    文章

    27305

    浏览量

    218161
  • 探测器
    +关注

    关注

    14

    文章

    2633

    浏览量

    73006
  • 信噪比
    +关注

    关注

    3

    文章

    260

    浏览量

    28622
  • 单光子
    +关注

    关注

    0

    文章

    19

    浏览量

    8085
  • DCR
    DCR
    +关注

    关注

    1

    文章

    54

    浏览量

    18821

原文标题:综述:超导单光子探测器在生物领域中的应用进展

文章出处:【微信号:MEMSensor,微信公众号:MEMS】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    雷达探测器与GPS的结合使用

    随着科技的发展,雷达探测器和GPS(全球定位系统)在各个领域中发挥着越来越重要的作用。雷达探测器主要用于探测和跟踪目标,而GPS则用于确定位置和导航。 一、雷达
    的头像 发表于 11-24 09:50 218次阅读

    深圳特信探测器 手持金属信号探测器:现代安检领域的得力助手

    深圳特信探测器|手持金属信号探测器:现代安检领域的得力助手
    的头像 发表于 11-22 09:05 130次阅读

    使用光子探测威廉希尔官方网站 设计的数字混沌激光雷达系统

    混沌激光雷达具有分辨率高、抗干扰和隐蔽性强的优点,然而受限于混沌光源的功率、线性探测器的灵敏度以及硬件带宽,其在远距离探测方面存在瓶颈。另外,光子
    的头像 发表于 11-13 09:11 269次阅读
    使用<b class='flag-5'>单</b><b class='flag-5'>光子</b><b class='flag-5'>探测</b>威廉希尔官方网站
设计的数字混沌激光雷达系统

    硅光电倍增管在辐射探测领域应用进展综述

    光子探测威廉希尔官方网站 在高能物理、天体物理、医学成像等学科领域中扮演着重要的角色。特别是在辐射探测应用中,实现
    的头像 发表于 11-12 10:27 428次阅读
    硅光电倍增管在辐射<b class='flag-5'>探测</b><b class='flag-5'>领域</b>应用<b class='flag-5'>进展</b><b class='flag-5'>综述</b>

    超导纳米线延迟线光子成像器件进展及应用

    光子成像威廉希尔官方网站 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
    的头像 发表于 10-22 14:48 235次阅读
    <b class='flag-5'>超导</b>纳米线延迟线<b class='flag-5'>单</b><b class='flag-5'>光子</b>成像器件<b class='flag-5'>进展</b>及应用

    VirtualLab:通用探测器

    摘要 通用探测器是VirtualLab Fusion中来评估和输出电磁场任何信息的最通用工具。它能够提供不同域(空间域和空间频域)和坐标系(场与探测器位置坐标系)的信息。此外,通过使用非常灵活的内置
    发表于 08-06 15:20

    基于超导纳米线光子探测器的40万像素相机提供前所未有的宇宙视野

    一台基于超导纳米线光子探测器(SNSPD)的40万像素相机为天文学和量子威廉希尔官方网站 应用提供了前所未有的低噪声、高分辨率成像能力。在探索遥远恒星和系外行星等微弱天体的过程中,捕捉每一个
    的头像 发表于 06-04 09:46 1.8w次阅读

    微波雷达探测器的工作原理、特点及应用领域

    微波雷达探测器是一种利用微波威廉希尔官方网站 来检测和跟踪移动物体的设备。它们广泛应用于军事、航空、航海、交通等领域。本文将详细介绍微波雷达探测器的工作原理、主要特点、应用领域以及发展趋势。 一、微
    的头像 发表于 05-27 15:52 3745次阅读

    光子雪崩探测器SPAD助力激光扫描显微镜发展

    据麦姆斯咨询介绍,光子雪崩探测器(SPAD)是指工作电压高于击穿电压的APD,也称为盖革模式APD,通过配套淬灭电路和读出电路对雪崩倍增过程进行淬灭和恢复控制从而实现
    的头像 发表于 05-27 09:28 1092次阅读
    <b class='flag-5'>单</b><b class='flag-5'>光子</b>雪崩<b class='flag-5'>探测器</b>SPAD助力激光扫描显微镜发展

    电化学生物传感器在生物检测领域的显著优势

    电化学生物传感器在生物检测领域具有显著的优势,这些优势不仅体现在其高灵敏度、快速响应等方面,更在于其在医学诊断、环境监测、食品安全等多个领域中的广泛应用。下面将详细阐述电化学
    的头像 发表于 04-29 10:00 649次阅读
    电化学<b class='flag-5'>生物传感器</b><b class='flag-5'>在生物</b>检测<b class='flag-5'>领域</b>的显著优势

    锑化物超晶格红外探测器研究进展与发展趋势综述

    锑化物超晶格红外探测器具有均匀性好、暗电流低和量子效率较高等优点,其探测波长灵活可调,可以覆盖短波至甚长波整个红外谱段,是实现高均匀大面阵、长波、甚长波及双色红外探测器的优选威廉希尔官方网站 ,得到了国内外相关研究机构的关注和重视,近年来取得
    的头像 发表于 04-19 09:13 1126次阅读
    锑化物超晶格红外<b class='flag-5'>探测器</b>研究<b class='flag-5'>进展</b>与发展趋势<b class='flag-5'>综述</b>

    什么是光子探测器

    探测器可以一展身手。利用类似于人眼杆状细胞的光探测机理,美国西北大学和伊利诺斯州大学的研究小组已经开发出了红外光子聚焦载流子增强传感(F
    的头像 发表于 03-29 06:34 690次阅读

    光子探测器改写量子计算规则

      科学家们通过基于光子探测器的方法在量子光学领域取得了突破,为改进量子计算铺平了道路。 帕德博恩大学的科学家们使用了一种新方法来确定光学量子态的特征。他们首次使用某些光子
    的头像 发表于 03-08 06:36 347次阅读

    光子探测器改写量子计算规则

    两位科学家通过特殊的实验装置表明,带有超导光子探测器的零差探测器对输入光子通量具有线性响应。换
    的头像 发表于 02-27 13:57 537次阅读

    具备10个光子数分辨能力的大电感超导微米条带光子探测器

    近日,中国科学院上海微系统与信息威廉希尔官方网站 研究所的尤立星、李浩团队在增强超导条带光子探测器(SSPD)的光子数分辨能力方面取得了重要进展
    的头像 发表于 02-21 10:52 835次阅读
    具备10个<b class='flag-5'>光子</b>数分辨能力的大电感<b class='flag-5'>超导</b>微米条带<b class='flag-5'>光子</b><b class='flag-5'>探测器</b>