Progrès sur les sources de lumière quantique à mélange spontané à quatre ondes sur puce

Un détecteur à photon unique (SPD) est sensible à l’incidence de quanta de lumière individuels et a de nombreuses applications en photonique, telles que les mesures de fluorescence, la télémétrie laser, le réflectomètre optique dans le domaine temporel et les expériences d’optique quantique.

Les SPD dans le proche infrarouge à la longueur d’onde de télécommunication de 1 550 nm sont indispensables pour le QKD à fibre optique, avec des choix comprenant des détecteurs monophotoniques à nanofils supraconducteurs cryogéniques (SNSPD) et des photodiodes à avalanche InGaAs (APD) refroidies électriquement. Entre eux, les APD présentent des avantages pratiques en termes de compacité, de faible coût et de ne pas nécessiter de réfrigération à très basse température.

En mode Geiger, la forte réponse capacitive de l’APD à un déclenchement inférieur à la nanoseconde doit être rejetée via un circuit de lecture spécialement conçu afin de permettre la détection de faibles avalanches induites par des photons. Les circuits de déclenchement et de lecture rapides ajoutent des défis à la modularisation et à la miniaturisation, qui constituent une étape nécessaire pour servir un large éventail d’applications.

Un groupe de recherche a récemment développé un nouveau circuit de lecture qui intègre un filtre à ondes acoustiques de surface (SAW) dans un interféromètre radio-fréquence asymétrique Mach-Zehnder, appelé circuit d’interférence à bande ultra-étroite (UNIC), et a réalisé des performances exceptionnelles pour les applications à bande étroite. rejet de bande de la réponse capacitive SPD. Le travail est publié dans la revue Appareils et instrumentation avancés.

Grâce au long retard de groupe du filtre SAW, l’interféromètre UNIC peut produire une réjection de bande ultra-étroite avec une tolérance de fabrication facilement réalisable dans les longueurs de piste RF.

L’UNIC peut fournir une bande passante large et continue dans le domaine fréquentiel et apporte donc peu de distorsion dans le signal d’avalanche. L’équipe rapporte le développement d’un module InGaAs SPD autonome qui intègre pleinement l’électronique de pilotage et de lecture ainsi que la régulation et la compensation de la température.

Sa dimension est mesurée à seulement 8,8 × 6 × 2 cm3 et son volume est presque 4 fois inférieur à celui du module de détection existant le plus compact qui utilise un circuit de lecture intégré monolithique. Simultanément, cette réduction de taille n’entraîne pas de détérioration des performances.

L’équipe de recherche utilise ses précédentes techniques UNIC pour la lecture du signal APD, mais ajoute une compensation automatique de température pour garantir des performances optimales sur une large plage de températures ambiantes.

Avec une entrée d’horloge de 1,25 GHz, le module se caractérise par des performances comparables à celles de son homologue construit avec un équipement de table. L’UNIC-SPD présente d’excellentes performances avec une efficacité de détection nette de 30 % avec une probabilité de post-impulsion de 2,4 % sous un temps d’attente de 3 ns. La taille compacte et les performances de pointe confèrent au module UNIC-SPD un énorme potentiel pour l’imagerie monophotonique et la distribution de clés quantiques à grande vitesse.