Demonstration of microwave multiplexed readout of DC biased superconducting nanowire detectors
超导纳米线具有光谱覆盖范围广、时间分辨率高等优点，被广泛用作灵敏的单光子探测器。我们描述了一个演示的直流偏置超导纳米线单光子探测器阵列读出的微波复用电路。在该设计中，每个单独的纳米线是谐振LC电路的一部分，其中电感由纳米线的动力学电感支配。该电路还包含两个平行板电容器，其中一个与电感器并联，另一个耦合到微波传输线，该微波传输线将信号传送到低温低噪声放大器。所有的纳米线都通过电阻器连接到单个DC偏置线，该DC偏置线使得纳米线能够被电流偏置接近其临界电流。当光子撞击纳米线时，它会产生一个正常的热点，在LC电路上产生一个电压脉冲。该脉冲在由品质因数固定的时间段内以LC电路的谐振频率振铃下降。我们目前的测量这些设备的阵列和评估其性能的频率和时间响应。
2019-05-16 astro-ph.IM physics.ins-det
A Multi-Layer Three Dimensional Superconducting Nanowire Photon Detector
在这里，我们提出了一个新的设计范例超导纳米线单光子探测器，使用多层架构，将电引线下的纳米线。这允许非常大量的检测器元件（我们将类似于传统的CCD相机称之为像素）被放置在非常接近的位置。这导致比当前的单纳米线和多纳米线曲折线显著更好的光子数分辨率，同时保持类似的检测区域。我们讨论了像素的复位时间，以及如何修改设计以避免在极短的超导纳米线中看到的闩锁故障。这些优点使得多层超导数分辨光子探测器相对于长超导纳米线曲折的当前设计范例具有显著的优势。这样的优点在广泛的光子学应用中是期望的。
2012-02-07 physics.ins-det physics.optics quant-ph
Superconducting Nanowire Single-Photon Detector (SNSPD) with 3D-Printed Free-Form Microlenses
我们提出了一种方法，以增加超导纳米线单光子探测器（SNSPD）的有效光接收面积的自由形式的微透镜，原位印刷在敏感的探测器区域的顶部，使用高分辨率的多光子光刻。我们展示了一个探测器的基础上的氮化三铝（NbN）纳米线与4.5 $\mathrm μ$ m $\times$ 4.5 $\mathrm μ$ m的敏感区域，辅以60 $\mathrm μ$ m直径的镜头。对于波长为1550 nm的自由空间照明，透镜传感器的有效收集面积增加了100倍，从而大大提高了系统检测效率，而无需长纳米线。我们的方法可以很容易地应用到广泛的传感器类型，并有效地克服了固有的设计冲突之间的高计数速度，由于短的传感器复位时间，高定时精度，和高的制造产量一方面和高收集效率，通过大的有效检测领域的另一方面。
2021-06-21 physics.ins-det physics.optics
Scalable Cryogenic Read-out Circuit for a Superconducting Nanowire Single-Photon Detector System
超导纳米线单光子探测器（SNSPD）是利用光子的量子信息科学应用的领先技术，并且它们在光子匮乏的经典成像应用中发现越来越多的用途。关键的探测器特性，如定时分辨率（抖动），复位时间和最大计数率，是由读出电子感测和放大的光子探测信号的严重影响。我们描述了SNSPD的读出电路，使用商业现成的放大器在低温下工作。我们的设计展示了35 ps的时序分辨率和超过2x10^7计数每秒的最大计数率，同时保持每个通道<3 mW的功耗，使其适合多通道读出。
2018-05-11 physics.ins-det
Operation of a superconducting nanowire in two detection modes: KID and SPD
我们提出了超导纳米线的性能，可以在两种检测模式下操作：i）作为动力学电感检测器（KID）或ii）作为单光子检测器（SPD）。两个超导纳米线被开发用作单光子探测器（SNSPD），作为电感（L）组件嵌入谐振电感器/电容器（LC）电路耦合到微波传输线。电容器是低损耗商用芯片电容器，并且将谐振器的内部品质因数限制为大约$Q_i = 170$。谐振器品质因数$Q_r \simeq 23$由与馈线的耦合决定，并将检测带宽限制在1 MHz的量级。当工作在KID模式下时，探测器在其谐振频率45.85和91.81MHz处被AC偏置。在低偏置的标准KID模式下，单个光子产生的热点不会使整个线段正常，而只是增加了动力学电感。在高偏置、临界KID模式下，光子事件使线的一部分正常，并且谐振被破坏，直到正常区域被耗散。当在盖革模式下作为SPD操作时，谐振器通过低温偏置T形件被DC偏置，并且每个光子产生急剧的电压阶跃，随后是在检测器的谐振频率下的振铃信号，该振铃信号被包络检测器转换为标准脉冲。我们表明，在临界KID模式的交流偏置是劣于直流偏置SPD模式中实现的灵敏度，由于在临界电流附近的交流偏置的时间的一小部分。
2017-11-03 physics.ins-det
Physics and application of photon number resolving detectors based on superconducting parallel nanowires
并行纳米线检测器（PND）是光子数分辨（PNR）检测器，其在亚波长尺度上使用空间复用以提供与光子数成比例的单个电输出。PND的基本结构是几个NbN超导纳米线（100 nm宽，几nm厚）的并联连接，折叠成曲折的图案。采用反应磁控溅射法在MgO（TS= 400 C）衬底上制备了3-4 nm厚的NbN薄膜，并在Ar/N2混合气体中制备了PND。设备性能的特点是速度和灵敏度。PND显示计数率为80 MHz，脉冲持续时间低至660 ps半高宽（FWHM）。构建光响应峰值的直方图，没有观察到倍增噪声积累。为了研究其工作原理，定义设计准则，并开发一种算法来估计未知光的光子数统计，开发了该设备的电学和光学等效模型。特别是，建模提供了新的洞察力的物理限制的检测效率和这些检测器的复位时间。PND在简单性、灵敏度、速度和乘法噪声方面显著优于现有的PNR检测器。
2009-02-27 physics.ins-det physics.optics
Electrothermal feedback in superconducting nanowire single-photon detectors
我们研究了超导纳米线单光子探测器（SNSPD）中的反馈效应。据发现，所需的SNSPD的操作模式是唯一实现的，如果这种反馈是不稳定的，这自然会发生通过缓慢的电气响应与他们相对较大的动态电感。如果为了增加器件计数率而加速这种响应，则反馈将变得稳定，并导致称为闩锁的效应，其中器件被锁定在电阻状态，并且不再能够检测光子。我们提出了一组实验，阐明这种效果，和一个简单的模型，定量解释的结果。
2008-12-01 cond-mat.supr-con physics.ins-det
Niobium superconducting nanowire single-photon detectors
我们研究了由超薄Nb制成的超导纳米线光子探测器的性能。直接比较这些探测器和类似的纳米线探测器制造的NbN。我们发现，Nb探测器是显着更容易受到比NbN的热不稳定性（闭锁）在高偏压。我们表明，可以通过降低读出的输入电阻来稳定器件。以这种方式优化的Nb探测器被示出为具有相同几何形状的类似的大有效面积NbN探测器的复位时间的约2/3，对于470 nm处的单光子具有约6%的探测效率。
2009-01-08 cond-mat.supr-con physics.ins-det
Resolving photon numbers using a superconducting tapered nanowire detector
时间和数量分辨光子探测是光子量子信息处理的关键。现有的光子数分辨（PNR）探测器通常具有有限的定时和暗计数性能，或者需要复杂的制造和操作。在这里，我们展示了一个PNR检测器在电信波长的基础上，一个单一的超导纳米线与集成阻抗匹配锥。原型设备能够分辨多达五个吸收的光子，并且具有16.1 ps的定时抖动，<2 c.p.s.。器件暗计数率，$\sim$ 86 ns复位时间，以及1550 nm处5.6%的系统检测效率（无腔）。单光子和双光子响应之间的特殊区别是符合计数的理想选择，并使我们能够直接观察到从Hong-Ou-Mandel干涉仪的单个输出端口的光子对的聚束。这种探测器结构可以提供一个实用的解决方案，需要高的时间分辨率和少光子歧视的应用。
2019-11-21 physics.ins-det physics.optics quant-ph
Readout of superconducting nanowire single-photon detectors at high count rates
超导纳米线单光子探测器与其他光子计数技术的区别首先在于其极高的速度，具有几十ps的定时分辨率和探测事件后10 ns的恢复时间$τ_R\lesssim$。然而，在这项工作中，我们确定在传统的电读出方案之间的非线性相互作用的检测器和它的读出，可以使稳定，高效率的操作不可能在计数率，甚至一个数量级小于$τ_R^{-1}$。我们提出了详细的实验证实这一点，和一个理论模型，定量地解释我们的观察。最后，我们描述了一种改进的读出，它规避了这个问题，允许这些检测器在高计数率下稳定地操作，检测效率的惩罚纯粹由它们的感应复位时间决定。
2013-02-12 physics.ins-det
IR- and visible- light single photon detection in superconducting $MgB_{2}$ nanowires
基于低Tc材料的最先进的超导纳米线单光子探测器达到100%的量子效率。然而，响应时间限于>1-10 ns。最近，已经表明，由于低得多的动力学电感，在120 μ m长的$MgB_{2}$纳米线中可以实现100 ps的响应速率。在这项工作中，我们实验证明，这样的$MgB_{2}$纳米线的功能作为单光子探测器的可见光（$λ$ = 630 nm）和红外（$λ$ = 1550 nm）光子时，偏置接近临界电流，与暗计数率<10 cps。对于类似的纳米线长度，$MgB_{2}$光电探测器在速度上超过NbN SNSPD至少一个数量级。这种光电探测器为单光子探测器提供了一个平台，该探测器具有大探测器面积和高达10 GHz的响应率与单个读出线的长期组合。
2020-10-08 cond-mat.supr-con physics.app-ph physics.ins-det
Controlling the recovery time of the superconducting nanowire single-photon detector with a voltage-controlled cryogenic tunable resistor
本文提出采用兼容低温环境的压控可调电阻优化 SNSPD 读出阻抗，将最大探测率和高通量效率提升逾2倍，实现120 Mcps且无内部效率损失。
2025-10-21 physics.ins-det
Intrinsically-limited timing jitter in molybdenum silicide superconducting nanowire single-photon detectors
超导纳米线单光子探测器（SNSPD）的发展取得了很大的进展，并在一系列研究领域产生了巨大的影响。表示检测的时间分辨率的定时抖动对于许多应用是至关重要的参数。尽管广泛的工作，因为他们的出现，最低抖动与SNSPD实现仍然不清楚，和内在限制的起源没有完全理解。了解其内在行为和限制是改进的必要步骤。在这里，我们报告我们的实验研究的内在限制的时间抖动在硅化钼（MoSi）SNSPD。我们表明，要达到固有的抖动，几个检测器的性能，如锁存电流和动态电感的设备必须被理解。表现出的依赖于纳米线的横截面和能量依赖的固有抖动，并解释了起源的限制。在532nm和1550nm光子波长下，系统的时间抖动分别为6.0ps和10.6ps。
2019-06-05 cond-mat.supr-con physics.app-ph physics.ins-det
Large-Area Superconducting Nanowire Single-Photon Detector with Double-Stage Avalanche Structure
提出了一种新型的超导纳米线雪崩光电探测器（SNAP）的设计方案，该方案结合了多级雪崩SNAP降低雪崩电流I_AV和串联SNAP减少复位时间的优点。作为原理的证明，我们在单个硅芯片上制造了800个具有大检测面积（15 μ m * 15 μ m）的器件和五种不同的设计用于比较，这些设计包括标准SNSPD、系列3-SNAP和我们改进的具有双级雪崩结构的系列SNAP 2*2-SNAP、2*3-SNAP和3*3-SNAP。前三种类型的检测器表现出完全饱和的设备检测效率约为20%，而后两种类型的闩锁在较大的偏置电流。此外，2*2-SNAP的I_AV仅为开关电流I_SW的64%，低于串联3-SNAP（74%）并且远低于其他地方报道的4-SNAP（84%）。我们还测量到，由于没有外部扼流圈电感，探测器的指数衰减时间与（1/n）^2成正比。特别是，与标准SNSPD的63.2 ns相比，3*3-SNAP的衰减时间仅为0.89 ns，显示出达到GHz计数率的潜力。
2016-12-17 physics.ins-det
Monte Carlo Radiation Transport Modelling of the Current-Biased Kinetic Inductance Detector
用辐射输运模拟方法分析了电流偏置动力学电感探测器（CB-KID）中子成像。PHITS蒙特卡罗程序用于模拟中子、$^{4}$ He、$^{7}$ Li、光子和电子输运、$^{10}$ B（n，$α$）$^{7}$ Li反应以及CB-KID内粒子的能量沉积。模拟CB-KID图像中的轻微模糊源于$^{4}$ He和$^{7}$ Li离子在$X$和$Y$超导Nb纳米线曲折线中产生信号之前从检测器中的$^{10}$ B转换层沿随机方向扩散。中子- $^{10}$ B反应中$^{7}$ Li核发射的478 keV瞬发γ射线对模拟CB-KID图像的贡献可以忽略不计。$^{10}$ B点阵的模拟中子图像表明，用当前的CB-KID设计，亚10 $μ$ m分辨率成像应该是可行的。计算了CB-KID的几何结构对本征探测效率的影响。然后开发了一个分析方程来近似这种对检测效率的贡献。在这项研究中计算的检测效率的上限为现实的影响，检测器的温度，偏置电流，信号处理和死区时间的损失没有考虑在内。本研究中采用的建模策略可用于在实际制造和测试之前评估CB-KID设计的修改，从而节省时间和成本。
2019-11-27 physics.app-ph physics.ins-det
Superconducting nanowire for single-photon detection: progress, challenges and opportunities
单光子探测器和纳米超导器件是实现量子技术的两个主要候选者。超导纳米线单光子探测器（SNSPD）包括这两个固态和光学方面，能够在长距离（>400 km）、长距离（>1200 km）量子通信以及空间通信（239，000英里）上实现高速率（1.3 GBit s-1）量子密钥分发。SNSPD的吸引力源于在从UV到中IR的波长范围内的四个单光子相关特性中的竞争性性能：高检测效率、低假信号率、光子到达时间的低不确定性和快速复位时间。然而，迄今为止，这些特性不能同时优化。在这篇综述中，我们提出了管理这四个特性的机制，并演示了它们是如何受到材料性能和器件设计以及操作条件的影响，从而实现SNSPD的优化。基于现有文献和最新技术的发展，我们提出了如何选择或设计优化SNSPD性能的材料和器件，同时我们也强调了SNSPD技术未来可能的机会。
2018-11-29 physics.app-ph physics.ins-det
Nanosecond gating of superconducting nanowire single-photon detectors using cryogenic bias circuitry
超导纳米线单光子探测器（SNSPD）具有接近单位效率、低暗计数率和短恢复时间的特点。将这些特性与SNSPD的时间控制相结合，拓宽了它们的应用，如用于更高动态范围计数的主动解锁或用于泵浦探测光谱或LiDAR的时间滤波。为此，我们展示了一个SNSPD的最小关断上升时间为2.4纳秒和总栅极长度为5.0纳秒的主动门控。我们展示了如何上升时间取决于电感的检测器结合控制电子。门窗口被证明是完全和自由的，电可调高达500 ns的重复频率为1.0 MHz，以及ungated，自由运行的操作。产生门控的控制电子设备安装在闭合循环吸附式低温恒温器的2.3 K台上，而检测器在0.8 K的冷台上操作。我们表明，检测器的效率和定时抖动不会改变门控窗口的开启时间。我们利用门控操作来演示一种方法，以增加在光子计数的动态范围的一个因素11.2，以及在模拟泵浦探测实验中的强泵浦的时间滤波。
2022-10-26 physics.ins-det quant-ph
Waveguide Integrated Superconducting Single Photon Detectors Implemented as Coherent Perfect Absorbers
理想的单光子探测器的核心是活性材料，其理想地吸收光子并将其转换为可辨别的电子信号。大的活性材料体积有利于高效吸收，但通常以转换效率、噪声、速度和定时精度为代价。目前的工作演示了如何相干完美吸收的概念可以用来放松这种权衡的波导集成超导纳米线单光子探测器。在绝缘体上硅波导顶部的一个非常短（8.5 $μ$ m长）和窄（8 $\times$ 35 nm $^2$）的U形NbTiN纳米线通过在其周围蚀刻一个不对称的纳米束腔而变成一个完美的吸收体。在2.05 K下，探测器显示出对于1545 nm光子的$\sim$ 96 $\pm$ 12%的片上量子效率，固有暗计数率$<$ 0.1 Hz。估计的定时抖动为$\sim$ 53 ps半高全宽，复位时间为$<$ 7 ns，均受读出电子学的限制。这种架构能够将超紧凑的探测器性能推向理想的极限，因此有望在量子光学中找到无数的应用。
2014-09-05 cond-mat.supr-con physics.ins-det physics.optics
Superconducting microstrip single-photon detector with system detection efficiency over 90% at 1550 nm
通常，超导纳米线单光子探测器（SNSPD）由具有典型宽度约100 nm的线组成。最近的研究发现，微米级宽度的超导条也可以探测到单光子。与SNSPD相比，超导微带单光子探测器（SMSPD）具有更小的动态电感、更高的工作电流和更低的制作精度要求，在超大有效面积探测器的研制中具有潜在的应用前景。然而，对SMSPD的研究还处于起步阶段，其高性能和实用化的实现仍然是一个悬而未决的问题。实验结果表明，在0.84 K下，当与单模光纤耦合时，在1550 nm的通信波长下，暗计数率为200 cps时，系统饱和探测效率为92.2%，偏振灵敏度为1.03，最小定时抖动为48 ps.在2.1K制冷机上运行时，探测器的制冷系数超过70%。
2021-04-27 physics.ins-det physics.optics
Electrothermal behavior of superconducting nanowires buried in a commercial CMOS process
University of Illinois Chicago（伊利诺伊大学芝加哥分校）；Argonne National Laboratory（阿贡国家实验室）；University of Chicago（芝加哥大学）；Quantum Motion（量子运动）
本研究通过测量埋入22nm FD-SOI CMOS工艺的TiN纳米线的电流-电压特性，揭示了其强滞回电热行为，并建立了包含纵向传导与界面冷却的双通道热模型，准确描述了回复电流对长度和温度的依赖。
2026-09-29 physics.ins-det quant-ph
