导读：超导纳米线单光子探测器（SNSPD）是量子信息、单光子成像领域的核心器件，传统方案存在固有偏振敏感、量子符合探测系统分立等痛点。南京大学超导电子学研究所吴培亨院士团队，赵清源教授、陈健教授课题组，基于薄膜微芯片转印混合集成技术，在光纤端面实现两套正交取向 SNSPD 异质集成，单器件兼顾宽带偏振不敏感探测与双光子符合计数能力，为全光纤量子回路开辟全新器件方案。
01 研究背景
超导纳米线单光子探测器（SNSPD）凭借高系统探测效率、超低时间抖动、低暗计数和宽光谱响应等综合优势，已成为量子通信、量子精密测量及自由空间单光子激光雷达的核心探测器件。
然而，常规蜿蜒光栅构型的SNSPD存在固有的偏振依赖性：当电场平行于纳米线（TE模式）时光吸收强，垂直于纳米线（TM模式）时吸收弱。在光纤系统中，光子偏振态会随机漂移，这种偏振敏感性直接导致探测效率起伏，制约系统稳定性，因此亟需通过多层结构、中心对称图案或补偿层等设计来缓解。但采用传统自上而下光刻工艺时，薄膜沉积、刻蚀、表面平坦化以及介质腔厚度的精准调控等工艺难度将陡然加大，显著降低成品率。
面向这一困境，研究团队另辟蹊径，采用微芯片转移的技术路线，实现了光纤端面混合集成双层正交SNSPD。具体而言，先在硅晶圆上完成SNSPD器件和反射镜贴片的制备，并在1.6 K低温预筛选出量子效率饱和的器件；随后将两个SNSPD贴片和反射镜贴片依次精准转印键合至光纤端面，与纤芯对齐，完成双探测器的光纤端面异质集成，构建高吸收效率光学腔，并实现双路探测器的独立读出。
该方案在实现偏振不敏感探测的同时，还具有双光子符合测量能力，避免了现有主流方案中采用偏振分束器搭配两套独立SNSPD和偏振控制器的复杂架构——后者整套系统体积庞大、光学插入损耗高、调试复杂，难以适配全光纤量子系统对小型化的需求。
02 器件设计｜光纤端面正交双探测器混合集成
我们在单模光纤（SMF‑28e+）端面电子束蒸镀十字构型的四组独立电极；借助 PDMS 弹性印章，将两片 SNSPD 微膜微芯片先后转印对准至光纤纤芯区域，两片 NbN 超导纳米线取向互相正交；顶层再转印金反射镜薄膜，构建 SiO₂介质光学谐振腔。
底层 SNSPD：15 μm×15 μm 光敏有源区，经典蜿蜒纳米线结构； 顶层 SNSPD：20 μm×20 μm 扩大有源区，采用 SNAP 超导纳米线雪崩结构，提升输出信噪比，同时兼容光纤模场对准容差； 两层器件拥有完全独立电极，支持两路信号分开读出； 通过仿真迭代优化 SiO₂谐振腔与隔离层厚度，使两层纳米线均处于光场驻波波腹位置，最大化光吸收效率。
两层纳米线正交排布带来独特优势：当一层器件对某一线偏振响应达到最大，另一层恰好对正交偏振具备最优响应；两路输出信号相加，就可以互相补偿偏振响应差异，实现整体偏振不敏感。 同时两层薄膜间距远小于工作波长，关联光子对可以几乎同步被两层器件分别捕获，直接在光纤端面内部完成光子符合探测，无需额外外接分束光学元件。
03核心实验性能
件在 1.64K 低温环境完成全套光电表征，工作波段覆盖 1480‑1640 nm 光通信波段。
1️⃣ 单层器件偏振响应（1550 nm）
底层 SNSPD：最大系统探测效率 42.4%，偏振消光比 PER = 4.37，本征时间抖动 38 ps 顶层 SNSPD：最大系统探测效率 49.6%，偏振消光比 PER = 3.94，本征时间抖动 75 ps
2️⃣ 两路信号合束，实现宽带偏振不敏感
两路探测信号求和后，总系统探测效率可达57.9%‑60.7%； 偏振消光比 PER 被抑制至1.06‑1.14，在 1480‑1640nm 宽波段维持优异的偏振不敏感特性。
3️⃣ 内置光子符合探测能力
飞秒脉冲激光标定，两层探测器之间联合时间抖动达到86 ps，满足量子关联光子测量指标。 进一步采用 PPLN 波导产生 Ⅱ 型自发参量下转换（SPDC）关联光子对，直接使用该光纤混合集成器件开展符合测量，测得符合峰半高宽 108 ps。 对比传统方案，仅需要单个偏振控制器，省去偏振分束器与两套独立探测器，减少光学元器件数量，降低光路损耗，提升整套系统的长期稳定性。
💡传统符合测量架构：光子对→偏振分束器→两套独立 SNSPD；
✨本工作新方案：光子直接入射光纤，单器件内部双路独立读出，直接输出符合计数。
04 工作意义与未来展望
本工作依托微膜微芯片转印混合集成工艺，在光纤端面实现两套正交 SNSPD 异质集成，单器件一体化实现宽带偏振不敏感单光子探测 + 内置双光子符合探测两大核心功能。
偏振不敏感特性，适配自由空间激光雷达、单光子成像等入射光子偏振随机变化的应用场景； 原生具备符合探测能力，省去复杂分立自由空间光学组件，向着全光纤量子信息系统迈出关键一步； 这套光纤端面多器件混合集成技术范式，未来还可以拓展集成光学滤波薄膜、超表面等其他功能光电器件，在单根光纤端面上构建多维单光子探测微系统。
论文信息
论文题目：Fiber‑Integrated Stacking Superconducting Nanowire Single‑Photon Detectors With Orthogonal Polarization Sensitivity and Coincidence Detection
期刊：Laser & Photonics Reviews
作者：Fan Yang, Zhen Liu, Yang-Hui Huang, Ma-Lin Zhong, Jie Deng, Yu Nie, Nai-Tao Liu, Sai-Ying Ru, Zhen-Guo Li, Long Wang, Yao-Yao Pan, Chang-Wei Sun, Xue-Cou Tu, La-Bao Zhang, Xiao-Qing Jia, Lin Kang, Qing-Yuan Zhao📧, Jian Chen📧, Pei-Heng Wu
第一作者：杨帆
通讯作者：赵清源教授、陈健教授
单位：南京大学超导电子学研究所（RISE），紫金山实验室，合肥国家实验室
致谢：感谢所有在微纳加工、低温测试、数据分析上提供支持的人和单位。本研究得到国家科技重大专项、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、国家重点研发计划等项目资助。相关技术已申请中国发明专利（申请号：202610659859.6）。
引用：
F. Yang, Z. Liu, Y.-H. Huang, et al. “ Fiber-Integrated Stacking Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors With Orthogonal Polarization Sensitivity and Coincidence Detection.” Laser & Photonics Reviews (2026): e72137. https://doi.org/10.1002/lpor.72137