高靈敏度的紅外探測系統對于遠距離探測有巨大的潛力，但光學系統內部的噪聲會抑制探測系統的信噪比，從而降低探測靈敏度與探測距離。

據麥姆斯咨詢報道，近期，南京大學電子科學與工程學院超導電子學研究所和網絡通信與安全紫金山實驗室組成的科研團隊在《物理學報》期刊上發表了以“基于超導單光子探測器的紅外光學系統噪聲分析和優化”為主題的文章。該文章第一作者為周飛，通訊作者為張蠟寶教授。

本文基于紅外超導納米線單光子探測器（SNSPD），設計了一個工作在中紅外波段的光學系統，構建了紅外光學系統自發輻射計算模型，理論分析了紅外光學系統的信噪比和噪聲特性。首次提出了利用高性能超導單光子探測器精確表征紅外光學系統的微弱背景輻射光信號，為優化設計紅外系統提供了依據。并且基于超導單光子探測器的光子計數能力，研究了光學系統的背景輻射對紅外探測系統性能的影響，并優化了光學系統的性能。

紅外SNSPD測量系統

制冷型紅外探測系統具有靈敏度高、暗噪聲低的優點，更加適用于遠距離探測和背景輻射嚴重的場景探測。本文借助SNSPD的光子計數能力對光學系統的性能進行表征與分析。搭建的紅外SNSPD的測量系統結構示意圖如圖1(a)所示，包含黑體源、光學系統、制冷機、SNSPD和電學讀出部分組成。作為紅外光源，黑體源采用的是MIKRON的M305紅外光源，溫度范圍為100 - 1000℃。制冷機的三層窗口片均為在0.6 - 16 μm有較高透過率的硒化鋅窗口片，制冷機結構由四層結構組成，為SNSPD提供可正常工作的超低溫環境，四層制冷結構由外到內的溫度分別為300 K、40 K、3 K和0.05 K。

SNSPD安裝在制冷機的最內層0.05 K的制冷結構中，光敏區域的方向正對著窗口的方向。為減小能量損失，所有光學元件中心以及SNSPD的光敏區域的中心均在同一光軸上。黑體源被固定在氣浮減震平臺上以減小結構擾動帶來的干擾，黑體輻射經過光學系統和四層窗口片后，聚焦耦合至SNSPD的光敏面上，SNSPD的光敏區域接收到光子后產生響應，并通過電學讀出實現光子探測與光子計數。

圖1 (a)紅外SNSPD的測量系統結構示意圖；(b)紅外測量系統實物圖

仿真分析與模型建立

高靈敏的紅外探測系統可以具備很高的溫度分辨能力，實現更加精密的熱紅外探測，相關探測靈敏度通常通過噪聲等效溫差（NETD）來表征。NETD象征著探測器能探測到的目標物體與背景之間的最小溫差。若要提升探測系統的靈敏度，首先需要對探測系統的信噪比（SNR）和噪聲特性進行分析。SNSPD通過光子計數率（PCR）來表征信號光的強度，PCR越大，信號光強度越大。背景計數率（BCR）用來表征背景輻射的強度。

黑體源產生的紅外輻射在到達探測器光敏面之前，會經過光學系統和四層窗口片，故紅外探測系統的自發輻射分為兩部分，一部分是制冷機外部的光學系統帶來的自發輻射，另一部分是制冷機窗口片帶來的自發輻射。實驗方案中的光學系統總共包含一個反射鏡、一個耦合透鏡和四層窗口片，本文以這六片鏡片作為對象，建立光學系統自發輻射模型。

通過對光學系統中鏡片的自發輻射的分析，得到了光學系統鏡面自發輻射與紅外探測光敏面上輻照度之間的關系，進而可以得到該紅外SNSPD光學系統的自發輻射模型。

實驗結果與分析

當溫度變化ΔT時，NETD隨著輸出電壓噪聲的均方根的增大而增大，與ΔT內電壓的變化量成反比。從提高紅外探測系統的靈敏度出發，需要降低NETD的值，就需要降低NETD輸出電壓噪聲的均方根，即降低光學系統的噪聲對紅外探測系統的影響，同時需要提高ΔT內輸出電壓的變化量，提高探測系統的信噪比。對于SNSPD而言，其光子計數能力對于定量的表征光學系統的噪聲特性有著獨特的優勢。

如圖1(b)所示為本方案的紅外SNSPD空間測量系統實物圖，黑體校準源出射口的直徑大小為25.4 mm。黑體產生的紅外光源經出射口到達反射鏡，再經反射鏡反射后經過透鏡聚焦，并穿過四層窗口片后到達探測器的光敏區域。為保證光學系統的穩定性，從黑體源到制冷機最外層窗口之間采用25.3 mm的同軸光學系統。為了避免外界雜散輻射進入光學系統，本方案采用了可調節屏蔽套管來阻止外界雜散輻射的進入，從而確保BCR足夠小。

本方案設計并制備了一個中紅外SNSPD，器件采用雙面拋光的硅襯底，并且在硅襯底上制備了一層MoSi超導薄膜，在超導薄膜上沉積了一層金作為SNSPD的電極，最終經過電子束曝光刻蝕出納米線，圖2(a)所示為該SNSPD的納米線區域在SEM掃描電鏡下的觀測圖。所制備的SNSPD的光敏面的大小為10 μm×10 μm，電流-電壓特性曲線如圖2(b)所示，器件的超導臨界電流為3.2 μA。

圖2 (a) SNSPD的SEM觀測圖（納米線的線寬為30 nm）；(b) SNSPD的電流-電壓特性曲線

首先，利用SNSPD的光子計數能力表征了光學系統帶來的背景輻射，當黑體源關閉時，偏置電流固定在2.79 μA，在5 min內觀測光子計數情況如圖3(a)所示，5 min內探測系統的BCR波動較小，均值為1.0×10? cps，均方根σBCR為454 cps，BCR和σBCR以光子數的形式定量表征了光學系統自發輻射所產生的背景噪聲及其抖動，結果表明該光學系統本征熱輻射較小，與仿真分析較為吻合。

圖3 (a) 探測系統的BCR（200 s內的標準差為454 cps）；(b) 不同溫度下的PCR和ΔPCR

對于光子計數型探測器而言，BCR的值越大，表明探測系統中的噪聲越大，因此，要想提高探測系統的靈敏度，就要提高探測系統的SNR，一來通過提高探測系統的PCR來提高ΔPCR的值，二來是通過降低BCR，減小光學系統由于自發輻射帶來的噪聲。為了提高PCR，首先要確保光學系統的出射口的黑體輻射光斑與SNSPD的光敏區域盡可能同軸，從而保證較高的空間耦合效率。

由于SNSPD安裝在制冷機最內層，無法實時觀測SNSPD與光學系統出射口的耦合情況，僅有窗口區域允許制冷機內部與外界進行通信。然而較低的耦合效率會帶來較大的能量損失，導致PCR的降低，從而影響SNSPD探測系統的NETD。SNSPD的光子分辨能力可以通過光子數定量的表征輻射源與SNSPD的光敏區域的空間耦合的情況，通過微調光學平臺來移動光學系統和制冷機窗口的位置，實時觀測PCR的變化，在水平面上向一固定方向平移2 mm的移動范圍內，如圖4(a)所示。

由于黑體源出腔口的大小遠遠大于探測器光敏面的大小，所以即使通過微調光學系統出射口與制冷機窗口的相對位置使光源與SNSPD的光敏面同軸，也會存在大量紅外輻射傳播至探測器光敏面之外的位置，導致大量的能量損失。為降低能量損失，使更多的紅外輻射到達探測器光敏面，需要使用聚焦透鏡來縮小黑體輻射的光斑，使得紅外輻射被盡可能地耦合至探測器光敏區域，從而提高PCR。

圖4 (a)和(b)：溫度分別為100 ℃和102 ℃時，2 mm移動范圍內PCR的變化情況；(c)和(d)：溫度分別為100 ℃和102 ℃時，使用耦合透鏡前后的PCR

為提升測量系統的SNR，除了提升PCR的數值，有效抑制BCR也尤為重要。在紅外聚焦透鏡的下方，利用兩端長度可調節套管將其構成三明治結構，其中上層套管有兩個作用，一來用于調節焦距，二來根據焦距調節聚焦透鏡到制冷機窗口之間的長度，下層套管負責調節焦距和根據焦距調節聚焦透鏡到反射鏡的距離，從而確保光學系統的常溫部分沒有外界雜散輻射的引入。除了本文所采用的在常溫部分通過屏蔽套管抑制外界雜散輻射外，制冷機內部設計也能大大降低BCR，可以通過在探測器前端增加一個效率為100%的冷闌，只允許探測目標的輻射通過該冷闌。還可以通過在制冷機最內層結構的內壁涂敷黑色金屬圖層，降低制冷機內部雜散輻射的干擾。

結論

SNSPD的光子計數能力是對紅外光學系統噪聲特性定量表征的一種新穎且重要的方式，對紅外光學系統的發展具有重要的意義。本文理論分析了紅外SNSPD光學系統的噪聲的來源，并建立了基于SNSPD的紅外光學系統的信噪比與背景輻射計算模型，首次提出了利用SNSPD表征紅外光學系統的背景輻射強度，并且基于SNSPD的光子計數能力分析了SNSPD紅外光學系統的性能與NETD和SNR的關系。實驗表明SNSPD可識別的系統最小移動距離為2.74 × 10?2 mm，并通過對光學系統的分析與優化，在黑體溫度為100℃時，空間耦合效率提升了97%，信噪比提升了2.7倍，對高靈敏度的超導紅外探測系統的研究具有一定的指導意義。

審核編輯：劉清