图1：高速单光子通信接收机系统示意图 （图源：作者）
对太空进行探索，揭示宇宙的奥秘，寻找宜居的星球是全人类的共同梦想。为了实现这些伟大的太空探索任务，一套可靠高效的深空通信系统是必不可少的。然而深空中极远的通信距离和复杂的通信环境给通信任务带来了巨大的挑战。
相比于传统的电磁波信号，激光信号在太空中具有更小的发散角，能量更加集中，且有着富裕的带宽资源，适用于深空场景。尽管如此，激光信号在经过遥远的通信距离后能量仍会大幅衰减而难以被探测，这就要求探测器需要具有高的灵敏度于支持高速通信的高探测速率。
图2：美国地月通信演示实验（图源：NASA）
超导纳米线单光子探测器（SNSPD, short for superconducting nanowire single photon detector）作为红外波段性能最优的单光子探测器之一，凭其优异的性能（低时间抖动，高计数率，高探测效率）已经多项太空任务与实验中被选用为探测器。美国宇航局与2013年开展的地月通信演示实验（LLCD，short for lunar laser communication demonstration），作为近年来深空通信进展的里程碑，首次成功演示了地月间的激光通信。该演示实验选用的探测器即为SNSPD。并且美国于近期（2023.10.13）为探索火星所发射的Psyche小行星其地面接收机中所使用的探测器也为SNSPD。
然而，随着通信距离不断变远，通信速度不断提高，面向的场景增多，传统的SNSPD在不断发展的深空通信中进一步应用遇到了“瓶颈“。高的光耦合效率要求探测器具有更大的探测面积，而大面积探测器会带来大的动态电感，从而降低器件的探测速率，限制通信速度。采用分别读出的阵列型探测器可以使探测器具有大面积的同时还保持高的探测速率，然而复杂的读出电路会大大加重制冷系统的热负担。此外，传统的SNSPD不具有光子数分辨的能力，在面对高背景噪声的场景时通信性能大大受限。
图3：四象限串联型光子数分辨超导纳米线单光子探测器结构图（图源：本篇Light文章）
在我们这篇文章的工作中，通过采用串联型SNSPD结构，设计制备了如图3所示的新型四象限光子数分辨型SNSPD，中间彩色部分为纳米线感光区域，两边黄色区域为并联电阻。该结构在具有大探测面积的同时每个子像元保持了低的动态电感，可以在拥有高系统探测效率时保持高的通信速率。并且该结构每个象限只需要一路读出电路进行读出。同时，该探测器采用的串联型结构在具有高速恢复特性的同时还具有光子数分辨能力，最高可分辨24光子。
在此器件的基础上，我们设计搭建了如图4所示的高斯单光子通信接收机原型系统，其中包括发送端，自由空间模拟信道和接收端三部分。在后端处理部分，我们针对串联型光子数分辨型探测器输出波形的特点，设计了相应的数字信号处理算法用于提取光子信息，并优化了解调译码方案。在此系统上，本工作成功实现了高性能的单光子通信实验，在通信速率与灵敏度方面相较于国际上之前的工作均有明显突破。利用该器件光子数分辨的能力，该系统的通信场景还可由传统的夜间拓展至白天。
总而言之，本工作为SNSPD在深空通信中以及其他极端条件下的进一步运用提供了一种可行高效的方案，有望为我国接下来的深空探测任务贡献力量！让我们恭喜郝浩博士！
图4：高速单光子通信接收机原型系统框图（图源：本篇Light文章）
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41377-023-01374-1