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从“南大眼”再析珠海航展上神秘的“量子雷达”

来源:微薄@huataiqy1228  

2020年10月9日,南京大学在其新闻网首页推出一篇文章《”南大眼”再立新功——张蜡宝、康琳、吴培亨团队超导阵列单光子探测器取得新进展》。重点介绍了南京大学超导电子学研究所,继2017年将研制的大口径超导阵列单光子探测器应用于空间碎片探测和2019年月地激光测距等骄人成绩后,近日超导阵列单光子探测器再立新功。从中国电科十四所某试验外场传来消息,超导单光子激光雷达系统,实现了对低空大气层中数百公里外目标的实时跟踪探测,展现了超导单光子探测器的强大应用潜力。

文章详细内容可以访问https://news.nju.edu.cn/xsdt/20201009/i100905.html


南大新闻
南大新闻

这篇文章里除了提到南京大学超导电子研究院的工作成果外,引人注目的是提到了合作伙伴中国电科十四所以及超导单光子激光雷达。

我们清晰的记得在2018年11月珠海航展期间,中国电科十四所展出了他们研制的量子雷达。本人结合相关新闻报道的内容,在《浅析珠海航展上神秘的“量子雷达”》一文中初步分析了该量子雷达应该属于单光子激光雷达。

文章详细内容可以访问https://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309404307737025614069#_0


中电科14所新闻
中电科14所新闻

回到《”南大眼”再立新功——张蜡宝、康琳、吴培亨团队超导阵列单光子探测器取得新进展》这篇文章。文章中提到南大团队与中电科十四所已经携手合作多年。针对低空大气衰减和湍流等复杂环境下,远距离目标高精度探测难题,双方团队为单光子雷达系统,最新研制了高灵敏、高精度、高速率的超导阵列单光子探测器,并在2020年9月的外场试验中,大幅度提高系统灵敏度和抗环境杂散光能力,成功实现了数百公里外移动和固定小目标的实时跟踪探测。


南大新闻图片
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这又让人想起中电科十四所在2017年3月份一篇《最前沿|量子探测技术发展》的新闻报道里,介绍了该所在量子雷达领域所开展的工作。在演进图里很清楚的看到“2015年14所已经完成了基于单光子的激光雷达实验系统,同时完成了XXXXX级大目标探测性能的对比试验”。这个对比试验就是前文中提到的在西北某地完成的量子雷达样机的验收试验。文中模糊掉的文字大应该是青海百公里级大目标探测性能对比试验。


中电科14所新闻图片
中电科14所新闻图片

结合这两段文章的内容,我们基本可以得出目前单光子激光雷达已经实现新的突破,从原来2015年实现百公里距离外慢速移动大目标识别,到2020年实现了数百公里外移动和固定小目标的实时跟踪探测。充分证明了超导单光子探测技术已经向实用化推进了巨大的一步。

那什么是超导单光子探测技术呢?超导单光子探测器是一种新型单光子检测器,SuperconductorNanowireSingle-PhotonDetector(SNSPD)。她兼具有灵敏度高和低噪声的优点。上世纪90年代人们首次实现利用吸收光子后在二维超导体上形成涡旋-反涡旋对(VAP)来检测红外光子,在此基础上利用氮化铌(NioBiumNitride)NBN超导纳米线的单光子检测模型被提了出来,逐步成为现在流行的SNSPD检测方法。

SNSPDS的单光子探测过程大致可以分成一下三步:超导纳米线被冷却到超导转变温度以下,并偏置在稍低超导临界电流状态;当单光子被超导纳米线吸收后,在纳米线上形成一个电阻态区域;通过检测完后,器件自动恢复到初始状态,准备检测下一个入射光子。

由于单纯的SNSPD超导薄膜的光子吸收率极低,需要通过光学谐振腔来提高效率。下图为国内一种具备光学谐振腔的SNSPD器件设计。


SNSPD器件
SNSPD器件

该器件衬底为硅材料,在硅基片正反两面是二氧化硅层(SiO₂),在正面依次是NbN超导纳米线二氧化硅介质层(SiO₂)和金层(Au)。光子通过背面入射,由于二氧化硅层的减反和增透作用,保证了超过90%的光子能够入射到NbN超导纳米线的覆盖区域。并且由于二氧化硅介质层和金层构成一个反射腔,光子在NbN纳米线处反射叠加增强,大大提高了NbN对光子的吸收效率。这种材料的设计也就是SNSPD器件芯片设计的基础。

SNSPD器件芯片需要将信号耦合在芯片的探测区域上,光信号通过SNSPD器件背部的光纤进入谐振腔和NbN监测区域,转换后的电信号通过同轴电缆进入后端信号处理和计数。下图就是国内一种SNSPD器件芯片的样品图。


SNSPD芯片
SNSPD芯片

这里还需要了解一下NbN超导纳米线的I-V特性。也就是纳米线的直流特性,虽然他是一种筛选NbN纳米线器件超导临界电流的手段,但是从侧面也体现了超导纳米线的一些特性。


I-V图
I-V图

在I-V测试过程中,在电流为零时,NbN纳米线处于超导态,其电阻为零;随着电流增加,纳米线上仍处于超导态,NbN纳米线上的电流为超导电流,两端电压为零;当电流超过超导临界电流时,部分纳米线从超导态转变为正常态,NbN纳米线两端的电压迅速增加。此时,由于直流源电压保持不变,因此纳米线中的电流迅速下降到低于临界电流的地方。同样由于焦耳热的存在,尽管电流低于临界电流,但NbN纳米线不能马上恢复到超导态。

作为完整的一套SNSPD超导单光子探测器,除了单光子探测器外还要包光路,测量电路以及低温系统等几部分。下图是一种标准的单光子测量试验系统。


单光子探测实验系统
单光子探测实验系统

该系统光路部分为单光子探测实验提供单光子源。激光脉冲经过可调衰减器后分别输入到光功率计和固定衰减器,通过固定衰减器进一步衰减的信号通过光纤传输到低温系统并耦合到SNSPD检测区域。测量电路通过同轴电缆和SNSPD连接,实现器件直流偏置和输出信号放大功能。器件检测到光子信号后的输出信号通过直流偏执器的射频段输入再到放大器进行信号放大,再被后端的示波器和计数器检测。

结合上述单光子测量实验系统的介绍,我们可以进一步了解清楚中电科14所在2018年11月珠海航展上展出的单光子量子雷达。展出的量子雷达模型包含了激光发射器和激光接收器,以及保持超导环境的液氦杜瓦罐。


量子雷达
量子雷达

大致工作模式是,激光发射器发射单光子激光脉冲,照射到目标后单光子信号被接收器接收,光信号进过可调式衰减器进入光功率计和固定式衰减器。进过固定式衰减器进一步衰减后,通过光纤将信号传入由液氦维持的超低温环境(T=2.3K)的SSPD单光子检测器件进行光电信号检测和转换,转换后的混合射频信号通过直流偏执器分离出信号后经过放大器放大,分别传入计数器和示波器,完成目标信号的累计显示。


基于单光子探测技术的量子雷达原理图
基于单光子探测技术的量子雷达原理图

由此可见,我国目前在高灵敏、高精度、高速率的超导阵列单光子探测器的理论研究水平以及仪器系统的整体技术水平已经达到国际先进,部分指标达到国际领先。并且从实验室技术向实用性技术迈出了巨大的而坚实的一步。

一位业内专家介绍到:“传统雷达一般是微波波段的,单光子雷达工作在光学波段,属于激光雷达的一种。量子雷达指的是灵敏度达到量子级别的雷达,工作在光学波段。超导单光子系统比目前国内同类激光雷达的能力几乎有量级的提升,把激光探测距离提高到与微波同样的水平。以前我们光和微波很难匹配,现在可以向多手段综合发展了。”

虽然本文一直在讨论的是单光子探测技术,但是由其衍生出的量子级别探测精度的新型雷达将会在反隐身探测领域实现新的突破,这也是中电科14所在该领域一直努力突破的方向,作为广大爱国军迷的我们,完全可以拭目以待从中国雷达的发源地走出一款称得上战略基石的反隐身利器。

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