在光电探测领域，超高灵敏度与大动态范围往往是相互矛盾的两个核心性能指标。传统半导体光电二极管能够实现线性光电流响应，但单光子灵敏度有限；而超导纳米线单光子探测器（SNSPD）虽具备卓越的单光子探测能力，却因其固有的非线性工作机制（如热点形成、电热反馈），在面对强光照射时极易饱和，动态范围严重受限。这种“鱼与熊掌不可兼得”的局面，极大地制约了探测器在复杂光场环境下的应用，例如同时包含极弱信号与强背景光的高动态范围成像、空间激光通信、日冕观测等领域。
如何打破这一僵局，在同一个探测器中实现从单光子到强连续光的无缝探测，成为该领域亟待攻克的关键科学难题。
针对上述挑战，南京大学超导电子学研究所赵清源教授团队提出并实现了一种创新的 “分段式超导纳米线架构” 与 “波形方差读出”方案，成功将SNSPD的工作模式从单一的单光子计数扩展至准线性探测，实现了前所未有的75 dB超高动态范围。
研究团队从电路对偶性原理中获得灵感。传统的PIN光电二极管可等效为一个电压偏置的电容，光生载流子在其中线性累积；而SNSPD本质上是一个电流偏置的电感，其非线性源于光诱导热点不受控的扩张。为抑制热点的非线性增长，团队将一根长纳米线分割为多个短线段，每个线段并联一个低值电阻进行分流（图1c）。这种设计使得每个线段成为一个独立的“人工载流子”发生器，其输出信号与触发线段的数量呈线性关系。
通过设计六段式纳米线器件（图1c），研究不仅实现了高达6的光子数分辨能力（图1d），更关键的是，在连续光照射下，当光子到达速率超过探测器恢复时间时，离散脉冲堆积形成类直流信号。团队创新性地提出利用输出信号的波形方差来反演入射光通量，从而绕过了传统读出电路中隔直电容对直流信号的滤除问题，成功提取出高通量下的光强信息。
在固定偏置电流下，该探测器展现出了无缝衔接的双模工作特性（图4d）：
单光子计数模式：在低光通量下（< -78 dBm），直接对离散脉冲计数，系统探测效率最高可达75%。
准线性探测模式：在高光通量下（> -78 dBm），通过计算输出波形的方差来估计光强，动态范围向上拓展了18 dB。
最终，探测器在单次测量中实现了从 -135 dBm 到 -60 dBm 的75 dB超宽动态范围，且两种模式在过渡区间自然重叠，无需切换偏置点或硬件配置。
为展示其应用潜力，团队基于该双模探测器进行了三项前沿成像演示：
1. 高动态范围成像：成功对包含自发弱光（字母“NJU”）与高亮发光二极管的场景进行成像（图5），场景动态范围高达61.2 dB，克服了单一模式下亮部过曝或暗部欠曝的问题。
2. 被动热成像：利用探测器在1.1-2.5 μm波段的宽谱响应，实现了对黑体辐射的高灵敏度探测（图6）。在545 K时获得了最低5.5 mK的噪声等效温差，并能清晰呈现热水杯、电烙铁等物体的温度分布与热扩散轮廓。
3. 主被动联合成像：在高温金属网格（500°C）的背景辐射干扰下，同时获取了后方物体的被动热图像与主动激光三维深度图像（图7），成功分离了目标与干扰源，展示了其在复杂真实场景中提取多维信息（强度、深度、温度）的独特优势。
此项研究实现了单光子探测器领域的范式突破，其核心价值在于：
1. 器件原理创新：首次在超导纳米线中通过“分段架构”与“波形方差读出”，成功融合了非线性单光子计数与准线性探测两种截然不同的工作机制于一体。
2. 性能指标卓越：创造了75 dB的固定偏置动态范围记录，同时保持了优异的单光子探测效率，解决了灵敏度与动态范围的历史性矛盾。
3. 应用前景广阔：
智能感知与成像：为自动驾驶、遥感等领域所需的极端动态范围视觉感知提供终极探测器解决方案。
空间与深空通信：可同时处理极弱信号与强背景噪声，提升通信系统的鲁棒性与容量。
基础科学研究：在天文观测、量子光学实验等需要同时监测信号和背景涨落的场景中具有不可替代的价值。
片上集成潜力：单端读出架构有利于未来大规模焦平面阵列的集成，推动新一代全超导成像芯片的发展。
图1：从光电二极管到分段超导纳米线的电路对偶模型
图1a-b阐释了PIN光电二极管（电容模型）与分段超导纳米线（电感模型）之间的电路对偶性。图1c为制备的六段式超导纳米线探测器扫描电镜图。图1d展示了该器件高达6的光子数分辨能力。
图2：广义线性光电探测模型仿真
仿真展示了探测器输出波形随入射光通量变化的演化过程：从离散脉冲计数模式（a）到脉冲堆积模式（b），最终形成具有直流偏移的准线性响应（c）。理论推导证明输出信号的均值与方差均与光通量呈线性关系（d, e）。
图3：隔直电容效应与波形方差读出原理
实验量化了读出电路中隔直电容对直流信号的滤除效应（a-d），并验证了在直流偏置下，利用波形方差（e,f）仍能有效提取高通量光强信息，实现线性探测。
图4：实验系统与探测器综合性能表征
图4a-b展示了光纤耦合成像实验系统。图4c为系统探测效率与暗计数随偏置电流的变化曲线。图4d为核心结果：在固定偏置下，单光子计数模式（蓝圈）与准线性探测模式（粉三角）无缝衔接，共同实现75 dB的超宽动态范围。
图5：高动态范围被动成像演示
成功对包含弱光字母与高亮LED的复杂场景进行成像，并利用双模融合算法完整还原了高达61.2 dB动态范围的场景细节（a-e）。
图6：宽谱高灵敏度被动热成像
基于探测器的宽谱响应，实现了对黑体辐射的精确测量（a-c），获得了低至5.5 mK的NETD（d），并清晰成像了热水杯（e）和高温电烙铁（f）的热分布。
图7：主被动联合成像
在强背景热辐射（500°C金属网格）干扰下，同时获取了目标物体的被动热图像（b）和主动激光三维深度/强度图像（c-e），实现了信息维度的分离与增强。
该突破性研究成果以“Ultrawide Dynamic Sensing from Single-Photon Counting to Linear Detection Using a Segmented Superconducting Nanowire”为题，发表于光学领域顶尖期刊《Laser & Photonics Reviews》（影响因子：12.1）。
文献来源：
Sai-Ying Ru, Hao Hao, Qing-Yuan Zhao*, Zhi-Jian Li, Hao Liu, Zhen Liu, Jie Deng, Yang-Hui Huang, Fan Yang, Nai-Tao Liu, Chao Wan, Xue-Cou Tu, La-Bao Zhang, Xiao-Qing Jia, Jian Chen, Lin Kang, Pei-Heng Wu. Ultrawide Dynamic Sensing from Single-Photon Counting to Linear Detection Using a Segmented Superconducting Nanowire. Laser & Photonics Reviews 2024, 18, 2400483.