Et fotontællende rekonstruktivt spektrometer på chip med skræddersyet kaskadedelt detektorarray

Superledende nanotråds-enkeltfotondetektorer (SNPD'er) er blevet brugt i vid udstrækning i forskellige applikationer, der kræver enkeltfotondetektion takket være deres attraktive ydeevne. Da SNSPD'er er tynde film af serval nanometer i tykkelse, er de praktiske at fremstille på forskellige substrater og kombinere med andre fotoniske strukturer.

SNSPD'er er blevet integreret med optiske bølgeledere på flere materialeplatforme. De bølgeleder-integrerede SNSPD'er er blevet anvendt i adskillige anvendelser af kvantefotoniske kredsløb (QPC'er), der understøtter nogle fotoniske kvanteinformationsfunktioner, såsom måling af on-chip kvanteinterferens.

Fotontællespektrometeret til ultra-svagt lys på enkelt fotonniveau er en anden interessant anvendelse. For nylig er der også rapporteret om flere værker om foton-tællespektrometre baseret på SNSPD'er og mikro-/nanofotoniske strukturer på chip. I disse værker modulerer de mikro/nano-fotoniske strukturer de spektrale responser af SNSPD'er.

Men de fører også til spredningstab og begrænser fotonudnyttelsen af ​​målingen af ​​ultrasvagt lys på enkelt fotonniveau. Det er et interessant emne, hvordan man kan realisere SNSPD-spektralresponsmodulationerne uden fotontab.

Prof. Wei Zhangs team fra Electronic Engineering Department ved Tsinghua University, der samarbejdede med teamet af Prof. Lixing You fra Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology (SIMIT, CAS, Kina), foreslog et nyt rekonstruktivt fotontællingsspektrometer baseret på den kaskadeformede absorptionseffekt af et SNSPD-array.

I dette skema bliver fotonerne med forskellige bølgelængder diffrakteret af et Rowland-gitter til forskellige steder i fokusområdet på chippen. SNSPD-arrayet er på tværs af fokusområdet. Hver SNSPD i arrayet har et forskelligt mønster, som styrer absorptionen af ​​den superledende nanotråd på forskellige steder.

Værket er publiceret i tidsskriftet Advanced Devices &Instrumentation .

Den spektrale respons af denne SNSPD bestemmes af dens mønster og den kaskadeformede absorptionseffekt af SNSPD'erne før den. Baseret på denne mekanisme kunne den spektrale respons af hver SNSPD i arrayet designes fleksibelt, hvilket understøtter funktionen af ​​et rekonstruktivt foton-tællespektrometer. I målingen ville alle fotoner blive absorberet i SNSPD-arrayet uden fotontab i princippet.

Forskerholdet fremstillede en prototypeenhed og demonstrerede mekanismen for SNSPD spektral responsmodulation i det foreslåede skema, som er baseret på den kaskadeformede absorptionseffekt af SNSPD-arrayet. Eksperimentresultaterne viste, at prototypeanordningen understøttede måling og rekonstruktion af lysspektret på et enkelt fotonniveau. Den spektrale opløsning af målingen er 0,4 nm i bølgelængdeområdet 1495–1515 nm.

Dette arbejde foreslog et rekonstruktivt foton-tællespektrometer, der kombinerer et on-chip Roland-gitter og et SNSPD-array. Den kan måle og rekonstruere spektret af enkelt-foton-niveau svagt lys med høj fotonudnyttelse i princippet. En prototypeenhed blev designet og fremstillet for at demonstrere princippet i skemaet, hvilket viser, at de spektrale responser af SNSPD'erne er bestemt af deres mønstre og kaskadeabsorptionseffekten af ​​SNSPD-arrayet.

Eksperimentresultaterne viste, at prototypeanordningen understøttede spektralmåling og rekonstruktioner. Den spektrale opløsning er 0,4 nm i bølgelængdeområdet 1495 ~ 1515 nm. Denne forskning giver en interessant og lovende måde at udvikle et foton-tællende spektrometer med høj fotonudnyttelse.

Flere oplysninger: Jingyuan Zheng et al., Et On-Chip Photon-Counting Reconstructive Spectrometer med skræddersyet Cascaded Detector Array, Avancerede enheder og instrumentering (2023). DOI:10.34133/adi.0021

Leveret af Advanced Devices &Instrumentation