Ein photonenzählendes rekonstruktives On-Chip-Spektrometer mit maßgeschneidertem kaskadiertem Detektorarray

Supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektoren (SNSPDs) werden aufgrund ihrer attraktiven Leistung häufig in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, die eine Einzelphotonendetektion erfordern. Da es sich bei SNSPDs um dünne Filme mit einer Dicke von mehreren Nanometern handelt, lassen sie sich bequem auf verschiedenen Substraten herstellen und mit anderen photonischen Strukturen kombinieren.

SNSPDs wurden auf mehreren Materialplattformen in optische Wellenleiter integriert. Die wellenleiterintegrierten SNSPDs wurden in verschiedenen Anwendungen quantenphotonischer Schaltkreise (QPCs) eingesetzt und unterstützen einige photonische Quanteninformationsfunktionen wie die Messung von Quanteninterferenzen auf dem Chip.

Eine weitere interessante Anwendung ist das Photonenzählspektrometer für ultraschwaches Licht auf Einzelphotonenebene. Kürzlich wurde auch über mehrere Arbeiten zu photonenzählenden Spektrometern auf Basis von SNSPDs und mikro-/nanophotonischen On-Chip-Strukturen berichtet. In diesen Arbeiten modulieren die mikro-/nanophotonischen Strukturen die spektralen Reaktionen von SNSPDs.

Allerdings führen sie auch zu Streuverlusten und schränken die Photonenausnutzung der Messung von ultraschwachem Licht auf Einzelphotonenebene ein. Es ist ein interessantes Thema, wie man die Modulationen der SNSPD-Spektralantwort ohne Photonenverlust realisieren kann.

Das Team von Prof. Wei Zhang von der Abteilung für Elektrotechnik der Tsinghua-Universität schlug in Zusammenarbeit mit dem Team von Prof. Lixing You vom Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology (SIMIT, CAS, China) ein neuartiges rekonstruktives Photonenzählspektrometer vor, das darauf basiert der kaskadierte Absorptionseffekt eines SNSPD-Arrays.

Bei diesem Schema werden die Photonen mit unterschiedlichen Wellenlängen durch ein Rowland-Gitter an verschiedene Stellen im Fokusbereich auf dem Chip gebeugt. Das SNSPD-Array befindet sich im Fokusbereich. Jeder SNSPD im Array weist ein anderes Muster auf, das die Absorption des supraleitenden Nanodrahts an verschiedenen Stellen steuert.

Die Arbeit ist veröffentlicht im Tagebuch Erweiterte Geräte und Instrumentierung.

Die spektrale Reaktion dieses SNSPD wird durch sein Muster und den kaskadierten Absorptionseffekt der SNSPDs davor bestimmt. Basierend auf diesem Mechanismus könnte die spektrale Reaktion jedes SNSPD im Array flexibel gestaltet werden und so die Funktion eines rekonstruktiven Photonenzählspektrometers unterstützen. Bei der Messung würden grundsätzlich alle Photonen ohne Photonenverlust im SNSPD-Array absorbiert.

Das Forschungsteam stellte einen Prototyp eines Geräts her und demonstrierte den Mechanismus der SNSPD-Spektralreaktionsmodulation im vorgeschlagenen Schema, das auf dem kaskadierten Absorptionseffekt des SNSPD-Arrays basiert. Die Versuchsergebnisse zeigten, dass der Prototyp die Messung und Rekonstruktion des Lichtspektrums auf Einzelphotonenebene unterstützte. Die spektrale Auflösung der Messung beträgt 0,4 nm im Wellenlängenbereich von 1495–1515 nm.

In dieser Arbeit wurde ein rekonstruktives Photonenzählspektrometer vorgeschlagen, das ein On-Chip-Roland-Gitter und ein SNSPD-Array kombiniert. Es kann im Prinzip das Spektrum von schwachem Licht auf Einzelphotonenebene mit hoher Photonenausnutzung messen und rekonstruieren. Zur Demonstration des Prinzips des Schemas wurde ein Prototypgerät entworfen und hergestellt, das zeigt, dass die spektralen Reaktionen der SNSPDs durch ihre Muster und den Kaskadenabsorptionseffekt des SNSPD-Arrays bestimmt werden.

Die Versuchsergebnisse zeigten, dass das Prototypgerät die Spektralmessung und -rekonstruktion unterstützte. Die spektrale Auflösung beträgt 0,4 nm im Wellenlängenbereich von 1495 ~ 1515 nm. Diese Forschung bietet eine interessante und vielversprechende Möglichkeit, ein Photonenzählspektrometer mit hoher Photonenausnutzung zu entwickeln.