《计测技术》推荐｜紫金山实验室赵清源、李志健：四象限超导纳米线单光子探测器光斑定位精度研究

导读

在深空激光通信、极弱光探测等前沿领域，实现光束的快速、高精度对准与跟踪至关重要。四象限超导纳米线单光子探测器（QD-SNSPD）集成了四象限探测器的高精度定位能力与超导纳米线单光子探测器（SNSPD）的极高灵敏度，是应对这一挑战的理想器件。然而，高光子计数率导致的探测器计数失真，以及低信噪比条件下的定位精度下降，是制约其性能发挥的两大瓶颈。本文在QD-SNSPD定位模型中引入基于SNSPD恢复时间特性的光子计数值非线性校正机制，有效消除了高计数率下的系统误差。同时，原创性地提出了非整数次幂运算的和差定位法，通过数学变换主动增强微弱信号差异，提升了低信噪比下的定位灵敏度。本文为QD-SNSPD提供了从理论到实践的高精度定位方案，成果有望应用于未来深空、星间激光通信系统，对于提升通信链路的捕获跟踪精度与稳定性具有重要的科学与工程应用价值。

^{四象限超导纳米线单光子探测器光斑定位精度研究}

作者：李志健¹，刘浩¹，万超¹，郝浩²，赵清源^1，2*，米庆改³，张磊³，李聪⁴，孙博⁴，毛立涛⁴，王华兵^1，2，武腾飞³  

作者单位：1.紫金山实验室；2.南京大学 超导电子学研究所；3.中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所；4.中国空间技术研究院 通信与导航卫星总体部

摘  要：为解决四象限超导纳米线单光子探测器在高计数率条件下光子计数值失真及低信噪比条件下定位困难的问题，本文引入计数值非线性校正机制，推导校正后的高斯光斑定位解析解，提出非整数次幂运算和差定位的原创方法，通过指数n>1增强正负半轴信号差异度，提高定位精度。研究结果表明：高计数率条件下，计数值校正可提升光斑定位的准确性；低信噪比条件下，非整数次幂运算可有效降低定位误差。相较经典的正负半轴差值定位法，当信噪比<10时，采用1.4次幂运算可将定位误差降低27%；当信噪比>50时，采用计数值校正的高斯模型可将定位误差降低70%。当光子计数值>10⁴时，计数值校正的高斯模型法与指数0.8≤n≤2的幂运算方法的定位标准差均可小于0.01倍光斑半径。研究成果为实现四象限超导纳米线单光子探测器高精度光斑定位提供了有力支撑。

关键词：四象限超导纳米线单光子探测器；恢复时间；高斯模型；光斑定位；精度分析；计数值校正；非整数次幂运算；信噪比

文章主要内容

在深空激光通信、量子信息等前沿领域，实现高精度的光斑定位与跟踪是核心技术挑战。四象限超导纳米线单光子探测器（QD-SNSPD）因其极高的单光子灵敏度，成为实现极弱光探测与跟踪的理想器件。然而，在实际应用中，它面临两个突出难题：一是在光子计数率较高的条件下，探测器因“恢复时间”效应会导致光子计数值失真；二是在低信噪比条件下，光斑信号微弱导致传统定位方法误差巨大。

上述难题具体表现在两方面。一方面，SNSPD存在高计数率数值失真的问题。当SNSPD在探测一个光子后，需要数十纳秒的恢复时间才能高效探测下一个光子。当光子如雨点般密集入射时，许多光子会因探测器处于恢复过程中而被漏计，导致实际记录值低于理论值，如图1（b）所示。这种非线性失真若不校正，会直接影响光斑定位的准确度。另一方面，四象限探测器在低信噪比下普遍存在光斑定位不准的困难。在深空通信等信号极其微弱、背景噪声显著的工况下，四个象限探测到的信号强度的差异很小。经典的“和差法”等定位方法在此条件下，信噪比急剧恶化，定位精度严重下降。

图1  QD⁃SNSPD光子计数非线性效应及定位方法示意图

Fig.1  Schematic diagram of photon counting nonlinearity effect and localization methods for QD⁃SNSPD

为解决上述难题，本文开展了两项主要工作：

一是，针对SNSPD计数值失真的问题，引入计数值非线性校正机制，建立了从失真计数值反推真实理论值的校正模型。基于此，进一步推导出适用于高斯光斑的精确坐标计算公式，建立了包含更准确的入射光强度与形状的定位算法，从源头上修正了数据偏差。

二是，原创性提出非整数次幂运算和差定位法，通过指数n>1增强信号差异度。该方法针对低信噪比下，正负半轴信号对比度低的问题，不再直接使用计数值做差，而是先对其分别进行n次幂运算（n>1），通过幂运算拉开强弱信号之间的差距之后再进行位置计算。在此方法下，微弱的有用信号经过放大后，能更容易地从噪声背景中脱颖而出，从而提升定位灵敏度，仿真结果如图3所示。

图3　不同方法的光斑估计坐标与真实坐标的欧氏距离误差

Fig.3  Euclidean distance error between the estimated coordinates and the true coordinates of the light spot for different methods

仿真结果进一步表明，在高计数率、高信噪比（S_snr>50）条件下，采用计数值校正的高斯模型法，可将定位误差降低70%。在低信噪比（S_snr<10）条件下，采用幂指数n=1.4的幂运算法，相较于经典和差法，可将定位误差降低27%，如图6所示。

图6　各方法平均定位误差与平均定位标准差

Fig.6  Average position error and standard deviations of different methods

图7中的实验研究表明，在高信噪比条件下，计数值校正的高斯模型法的定位结果最接近真实值位置；指数的幂运算和差法更适用于低信噪比条件，结果如图10所示。实验结果表明，前文讨论的不同估计方法的适用范围是有效的。

图7　实验装置与光斑强度分布示意图

Fig.7  Schematic diagram of the experimental setup and the optical spot intensity distribution

图10  3种信噪比条件下实验数据的坐标估计值、标准差及对比理论值数据的标准差

Fig.10  Estimated X⁃coordinates and their standard deviations for experimental data, and standard deviation compared with 
the theoretical data under three SNRs

结论

本研究系统解决了四象限超导纳米线单光子探测器在高计数率与低信噪比下的定位精度难题。通过引入光子计数值非线性校正机制，推导出矫正后的高斯光斑定位解析解，显著提升了探测器在高光子流量下的定位准确性。同时，提出了创新的低信噪比定位方法非“整数次幂运算的和差法”，通过数学变换有效增强了弱信号差异度，在低信噪比条件下大幅降低了定位误差。最终通过仿真与实验，明确了不同方法的优势区间，即信噪比>40时，选用矫正高斯模型法；信噪比在10~40之间时，经典和差法已具备足够准确度；信噪比<10时，优选1.4次幂运算法。本研究结论在工程应用中具有重要参考价值。

本研究的成果为实现深空激光通信、量子传感等领域中的超高精度光斑跟踪与目标定位提供了关键技术支持。未来，研究工作将聚焦于如何实时、动态地优化幂运算指数n，以应对更复杂、快速变化的光场环境，实现不同工况下的自适应最优定位。此外，未来工作将提出的矫正模型与定位算法，集成到更完整的激光通信或跟踪系统中，在实际的星地链路、移动平台等动态场景中进行可靠性验证，推动其从实验室走向工程应用。

作者简介

李志健，助理研究员，博士，主要研究方向为单光子探测与信息感知，具体包括单光子激光雷达探测与定位、单光子通信跟瞄、单光子计算光谱等。主持或参与国家自然科学基金、航空科学基金等项目。已在Light: Science & Applications、Laser & Photonics Reviews等期刊发表论文10余篇，获得中国专利多项。

赵清源，教授，博导，理学博士，主要研究方向为高性能超导探测器、成像器、数字电路的研制，以及基于这些高性能量子器件的应用扩展。国家杰出青年科学基金获得者，海外高层次青年人才，江苏省“双创人才”，江苏省“双创团队”成员，获江苏省“六大人才高峰”高层次人才A类资助，南京大学“紫金学者”人才基金入选者，南京大学“登峰人才计划”B层次支持。在Nature Photonics、Nature Nanotechnology等国际期刊发表论文30余篇，获得专利多项。2017年获超导电子学专业期刊SUST颁发的The Jan Evetts SUST Award。担任本领域诸多期刊的审稿专家和编委，多次获邀在重要国际会议作学术报告、担任会议论文编辑和会场主持职务，合作编撰英文图书1本。

实验室介绍

紫金山实验室单光子探测与通信团队是与南京大学超导电子学研究所（RISE，https://rise.nju.edu.cn/）共建的单位。团队在首席科学家吴培亨院士的指导下，由团队负责人王华兵教授、单光子通信方向赵清源教授领衔，长期致力于高性能超导电子器件的前沿探索与工程应用。团队核心研究方向围绕深空、星地等极弱光通信场景，开展基础物理、超导纳米线单光子探测器等前沿器件、单光子通信与高精度跟瞄系统技术的全链条创新研究。

南京大学超导电子学研究所是我国超导电子学研究的重要基地。作为其中的核心团队之一，赵清源教授课题组（超导量子器件与光子信息实验室，https://sccm.nju.edu.cn/main.htm）在高性能SNSPD研制与应用方面取得了系列国际领先成果，相关研究发表于Nature Photonics等顶级期刊。团队研发的高速、多像素SNSPD阵列及成像器是实现高速、高灵敏度光子接收的关键部件。

团队研究方向与当前国际前沿的深空光通信计划同频共振。美国NASA的DSOC项目在3100万公里距离上实现高速通信，其地面接收端即采用了超导纳米线单光子探测器阵列，印证了本团队技术路线的先进性与战略价值。团队正致力于攻关其中的工程应用关键部件，如更大规模、更高速度的SNSPD阵列，以及相匹配的高精度跟瞄算法，旨在为我国未来深空光通信系统提供高性能探测器与高精度控制的一体化解决方案。

团队合影

全文链接

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引用格式：李志健， 刘浩， 万超， 等. 四象限超导纳米线单光子探测器光斑定位精度研究［J］. 计测技术， 2026， 46（1）：19-32.

Citation：LI Z J， LIU H， WAN C， et al. Research on the spot localization accuracy of four⁃quadrant superconducting nanowire single⁃photon detector［J］. Metrology & Measurement Technology， 2026， 46（1）：19-32.

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供稿：李志健

排版：马鹤伟

编审：刘宇轩

监制：韩   冰