近日，中心用户周幸祥教授团队在提高光量子探测器效率的研究中取得新的进展，相关成果以“Fiber-sensor alignment based on surface microstructures”为题发表在Optics Express（Vol.31,No.1/2 Jan 2023）上。
超导转变边缘感应器(TES)是近年新发展起来的一种先进量子传感技术， 其凭借极低的暗计数率，极高的能量分辨率和基本接近1的探测效率，使其成为目前最好的单光子探测器。同时，TES也是唯一一种可以分辨光子数的光探测器。这些优点使TES在众多前沿科学和工业、医疗等领域里都有着重要应用。然而，为了满足提高TES分辨率的需求，感光器件需要达到10微米量级，已经与光纤纤芯直径接近。为了TES探测器的探测效率最大化，光纤和微传感器之间的精确对准是至关重要的，这对于对准精度有极高要求。一种对准方法依赖于红外成像设备，但它需要使用专门的成像设备。另一种则是利用深硅刻蚀工艺来解决这一问题，它无法用于集成TES器件的对准。
周幸祥教授团队提出一种基于表面机械制造工艺的方法来实现光纤与微传感器之间的精确对准，能够显著降低实现高精度对准的难度和成本，提高TES扩展性。该方法中，研究团队利用SU8在硅片表面制造出对准结构，结构圆心为样品中心，结构内直径略大于光纤直径，使得光纤能插入结构内的同时，误差极小。同时设计限距结构以防止光纤与样品相撞。在TES样品制备时，限高结构与引线同时长出，减少步骤同时节省成本。对准结构为光刻胶，仅通过光刻实现了高对准精度，而且非常容易实现。此方法在拓展的TES阵列中也同样可以使用。
图（a）纤芯直径为9μm的单模光纤插入对准结构的显微照片
（b）从背面观察5μm×5μm的样品，并通过光纤将红光耦合到样品上时的显微照片
实验得到的相干态光子数分布
通过背面观察，发现此方法在5-20um的样品中均可对准。低温试验中，不加光学腔的情况下，10um样品上的探测效率为41%，接近样品本征吸收率，证明传感器和光纤之间的精确对准导致的耦合损耗非常低。
此种方法可以显着降低光纤传感器对准的技术难度和成本，以充分发挥光学微传感器的潜力。由于该技术不依赖于传感器的材料和检测机制，因此可以在许多传感器技术中采用以克服有效输入耦合的困难。
中科大物理系博士生马培撒为本文第一作者，周幸祥教授为通讯作者。上述研究得到了国家自然科学基金与中国科学技术大学学生创新创业基金的支持。TES样品的制备和部分表征在中国科学技术大学微纳研究与制造中心进行，论文对中心的仪器支持与技术支撑进行了致谢。
论文链接：
https://doi.org/10.1364/OE.478791