具有定制級(jí)聯(lián)探測(cè)器陣列的片上光子計(jì)數(shù)重構(gòu)光譜儀

光子計(jì)數(shù)重構(gòu)光譜儀。Credit: Advanced Devices & Instrumentation (2023)DOI: 10.34133/adi.0021

超導(dǎo)納米線(xiàn)單光子探測(cè)器(SNSPDs)以其優(yōu)異的性能被廣泛應(yīng)用于各種需要單光子探測(cè)的領(lǐng)域。由于snspd是幾納米厚度的薄膜，因此可以方便地在各種襯底上制作，并與其他光子結(jié)構(gòu)結(jié)合。

snspd已經(jīng)在多種材料平臺(tái)上與光波導(dǎo)集成。波導(dǎo)集成snspd已在量子光子電路(QPCs)中得到廣泛應(yīng)用，支持片上量子干涉測(cè)量等光子量子信息功能。

用于單光子級(jí)超微弱光的光子計(jì)數(shù)光譜儀是另一個(gè)有趣的應(yīng)用。近年來(lái)，一些基于snspd和片上微/納米光子結(jié)構(gòu)的光子計(jì)數(shù)光譜儀的研究工作也得到了報(bào)道。在這些工作中，微/納米光子結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)snspd的光譜響應(yīng)。

然而，它們也會(huì)導(dǎo)致散射損失，限制了單光子級(jí)超微弱光測(cè)量的光子利用。如何在無(wú)光子損失的情況下實(shí)現(xiàn)SNSPD光譜響應(yīng)調(diào)制是一個(gè)有趣的研究課題。

清華大學(xué)電子工程系張偉教授團(tuán)隊(duì)與上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所You Lixing教授團(tuán)隊(duì)合作，提出了一種基于SNSPD陣列級(jí)聯(lián)吸收效應(yīng)的新型重構(gòu)光子計(jì)數(shù)光譜儀。

在該方案中，不同波長(zhǎng)的光子被羅蘭光柵衍射到芯片聚焦區(qū)域的不同位置。SNSPD陣列橫跨聚焦區(qū)域。陣列中的每個(gè)SNSPD具有不同的模式，從而控制超導(dǎo)納米線(xiàn)在不同位置的吸收。

這項(xiàng)研究發(fā)表在《先進(jìn)設(shè)備與儀器儀表》雜志上。該SNSPD的光譜響應(yīng)由其模式和之前SNSPD的級(jí)聯(lián)吸收效應(yīng)決定?；谠摍C(jī)制，可以靈活設(shè)計(jì)陣列中每個(gè)SNSPD的光譜響應(yīng)，支持重構(gòu)光子計(jì)數(shù)光譜儀的功能。在測(cè)量中，所有光子都被SNSPD陣列吸收，原則上沒(méi)有任何光子損失。

研究小組制作了一個(gè)原型器件，并演示了該方案中基于SNSPD陣列級(jí)聯(lián)吸收效應(yīng)的SNSPD光譜響應(yīng)調(diào)制機(jī)制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該原型裝置支持單光子水平的光譜測(cè)量和重建。在1495 ~ 1515 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，測(cè)量光譜分辨率為0.4nm。

本文提出了一種結(jié)合片上羅蘭光柵和SNSPD陣列的重構(gòu)光子計(jì)數(shù)光譜儀。從原理上講，它可以測(cè)量和重建具有高光子利用率的單光子級(jí)微弱光的光譜。設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)原型裝置來(lái)演示該方案的原理，結(jié)果表明SNSPD的光譜響應(yīng)是由其模式和SNSPD陣列的級(jí)聯(lián)吸收效應(yīng)決定的。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該原型裝置支持光譜測(cè)量和重建。在1495 ~ 1515 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，光譜分辨率為0.4 nm。該研究為開(kāi)發(fā)高光子利用率的光子計(jì)數(shù)光譜儀提供了一條有趣而有前途的途徑。