Wetenschap
Een on-chip fotonentellende reconstructieve spectrometer met op maat gemaakte cascadedetectorarray
Supergeleidende nanodraad-single-photon-detectoren (SNSPD's) worden op grote schaal gebruikt in verschillende toepassingen die detectie van enkele foton vereisen, dankzij hun aantrekkelijke prestaties. Omdat SNSPD's dunne films zijn met een dikte van enkele nanometers, zijn ze gemakkelijk te fabriceren op verschillende substraten en te combineren met andere fotonische structuren.
SNSPD's zijn geïntegreerd met optische golfgeleiders op verschillende materiaalplatforms. De golfgeleider-geïntegreerde SNSPD's zijn toegepast in verschillende toepassingen van kwantumfotonische circuits (QPC's), die enkele fotonische kwantuminformatiefuncties ondersteunen, zoals het meten van kwantuminterferentie op de chip.
De fotonentelspectrometer voor ultrazwak licht op enkel fotonniveau is een andere interessante toepassing. Onlangs zijn er ook verschillende werken gerapporteerd over spectrometers voor het tellen van fotonen op basis van SNSPD's en micro-/nano-fotonische structuren op de chip. In deze werken moduleren de micro-/nanofotonische structuren de spectrale reacties van SNSPD's.
Ze leiden echter ook tot verstrooiingsverliezen en beperken het fotonengebruik bij het meten van ultrazwak licht op enkel fotonniveau. Het is een interessant onderwerp om de spectrale responsmodulaties van de SNSPD te realiseren zonder enig fotonverlies.
Het team van prof. Wei Zhang van de afdeling Electronic Engineering van de Tsinghua Universiteit, in samenwerking met het team van prof. Lixing You van het Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology (SIMIT, CAS, China), stelde een nieuwe reconstructieve fotonentelspectrometer voor, gebaseerd op het gecascadeerde absorptie-effect van een SNSPD-array.
In dit schema worden de fotonen met verschillende golflengten door een Rowland-rooster afgebogen naar verschillende locaties in het focusseringsgebied op de chip. De SNSPD-array bevindt zich in het focusgebied. Elke SNSPD in de array heeft een ander patroon, dat de absorptie van de supergeleidende nanodraad op verschillende locaties regelt.
Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Devices &Instrumentation .
De spectrale respons van deze SNSPD wordt bepaald door het patroon ervan en het cascade-absorptie-effect van de SNSPD's ervoor. Op basis van dit mechanisme zou de spectrale respons van elke SNSPD in de array flexibel kunnen worden ontworpen, ter ondersteuning van de functie van een reconstructieve spectrometer voor het tellen van fotonen. Bij de meting zouden in principe alle fotonen in de SNSPD-array worden geabsorbeerd zonder enig fotonenverlies.
Het onderzoeksteam vervaardigde een prototype-apparaat en demonstreerde het mechanisme van SNSPD-spectrale responsmodulatie in het voorgestelde schema, dat is gebaseerd op het cascade-absorptie-effect van de SNSPD-array. Uit de experimentresultaten bleek dat het prototypeapparaat de meting en reconstructie van het lichtspectrum op één fotonniveau ondersteunde. De spectrale resolutie van de meting bedraagt 0,4 nm in het golflengtebereik van 1495–1515 nm.
Dit werk stelde een reconstructieve fotonentellende spectrometer voor die een on-chip Roland-rooster en een SNSPD-array combineert. Het kan het spectrum van zwak licht op enkel fotonniveau meten en in principe een hoog fotonengebruik meten en reconstrueren. Er werd een prototype-apparaat ontworpen en vervaardigd om het principe van het schema te demonstreren, wat aantoont dat de spectrale reacties van de SNSPD's worden bepaald door hun patronen en het cascade-absorptie-effect van de SNSPD-array.
De experimentresultaten toonden aan dat het prototype-apparaat de spectrale metingen en reconstructies ondersteunde. De spectrale resolutie is 0,4 nm in het golflengtebereik van 1495 ~ 1515 nm. Dit onderzoek biedt een interessante en veelbelovende manier om een fotonentellende spectrometer met een hoog fotonengebruik te ontwikkelen.