研究背景与意义

深空激光通信因高码率、抗干扰、无频段限制，成为NASA LLCD等项目核心技术。然而，深空链路光子极稀疏（单光子级）、大气湍流散射、背景噪声严重，传统半导体单光子探测器（如SPAD）灵敏度不足、暗计数高，导致误码率（BER）居高难下。超导纳米线单光子探测器（SNSPD）凭借高效率、低暗计数、皮秒级时序抖动、短恢复时间，成为深空光通信最有前景探测器，已在多项实验中验证优越性。

传统单像素SNSPD无法分辨光子数：信号光子与暗噪声/背景光子混叠，BER受限；恢复时间~50 ns限制码率。阵列SNSPD通过多像素并行响应，实现光子数分辨（响应像素数正比脉冲幅度），可滤除低幅度噪声。但高码率下恢复时间仍导致信息丢失，且计数阈值对光强敏感。如何在不同光强下优化计数模式、最大化利用阵列高灵敏/高速优势，成为SNSPD阵列深空通信关键。

核心突破：四像素SNSPD阵列+贝叶斯估计实现增强光子通信

南京大学超导电子学研究所张蜡宝教授团队，首次提出阵列SNSPD光子数分辨增强通信+贝叶斯估计BER模型：四像素SNSPD实现光子数分辨，贝叶斯算法自适应优化计数阈值kt，BER较传统单像素降低2个量级。

关键创新

1. 光子数分辨：四像素并行响应，幅度线性正比光子数，滤除低幅度噪声。

2. 贝叶斯估计：后验概率P(1|k)/P(0|k)动态选kt，最优区分信号/噪声。

3. BER理论模型：考虑Poisson分布、暗计数、恢复时间，量化不同光强最优kt。

4. 图像传输验证：BER低至10⁻³，雪花点极少。

实验验证与极致性能

· 阵列SNSPD：1550 nm效率50%、恢复时间50 ns。

· 图像传输：黑白/RGB图像清晰，BER~10⁻³。

· 码率测试：10–50 Mbps下BER随光强变化，40/50 Mbps高码率下恢复时间导致波动。

· 贝叶斯优化：弱光kt=1；μ>3时kt=2；μ>10时kt=3；强光kt=4。

· BER降低：最优kt下BER较单像素低2个量级。

科学意义与应用前景

1. 突破单像素瓶颈：光子数分辨+贝叶斯估计充分利用阵列高灵敏/高速。

2. 深空通信新范式：自适应阈值适应变光强，显著降低BER。

3. 大阵列潜力：模型普适N像素，支持更高码率/更低BER。

4. 广阔应用：

· 深空/星间通信：提升链路裕度；

· 量子通信：结合PPM调制进一步降BER；

· 光子计数成像：高动态范围。

图文导读

图1：阵列SNSPD工作原理

多通道同时输出，幅度正比响应像素数（光子数分辨）。

图2：模拟通信系统

任意波形发生器→脉冲激光→衰减器→四像素SNSPD→功率合成→高速比较器→示波器采集。

图3：实时波形

黄：同步信号；绿：SNSPD响应脉冲；蓝：TTL整形信号。

图4：像素强度对比

传输图像vs原图，少数像素损失（效率限制）。

图5：RGB图像传输

传输图（左）vs原图（右），BER~10⁻³。

图6：不同码率BER vs光强

10–50 Mbps，高速下恢复时间导致波动。

图7：贝叶斯后验概率

不同μ下P(1|k)/P(0|k)，指导kt选择。

图8：BER vs光强

不同kt曲线，最优kt下BER最低（黑线为单像素对比）。

论文信息

成果以“Enhanced photon communication through Bayesian estimation with an SNSPD array”为题，发表于光子学期刊 Photonics Research。

文献来源

Xiang Li, Jingrou Tan, Kaimin Zheng, Labao Zhang*, Lijian Zhang*, Weiji He, Pengwei Huang, Haochen Li, Biao Zhang, Qi Chen, Rui Ge, Shuya Guo, Tao Huang, Xiaoqing Jia, Qingyuan Zhao, Xuecou Tu, Lin Kang, Jian Chen, Peiheng Wu. “Enhanced photon communication through Bayesian estimation with an SNSPD array” Photon. Res. 8(5), 637–641 (2020)

DOI: 10.1364/PRJ.377900