Um espectrômetro reconstrutivo de contagem de fótons no chip com conjunto de detectores em cascata sob medida
Espectrômetro reconstrutivo de contagem de fótons. Crédito:Dispositivos Avançados e Instrumentação (2023). DOI:10.34133/adi.0021 Detectores de fóton único de nanofios supercondutores (SNSPDs) têm sido amplamente utilizados em várias aplicações que requerem detecção de fóton único, graças ao seu desempenho atraente. Como os SNSPDs são filmes finos de nanômetros de espessura, eles são convenientes para fabricar em vários substratos e combinar com outras estruturas fotônicas.
SNSPDs foram integrados com guias de onda ópticos em diversas plataformas de materiais. Os SNSPDs integrados ao guia de ondas foram aplicados em diversas aplicações de circuitos fotônicos quânticos (QPCs), suportando algumas funções de informação quântica fotônica, como a medição de interferência quântica no chip.
O espectrômetro de contagem de fótons para luz ultrafraca de nível de fóton único é outra aplicação interessante. Recentemente, vários trabalhos sobre espectrômetros de contagem de fótons baseados em SNSPDs e estruturas micro/nanofotônicas no chip também foram relatados. Nestes trabalhos, as estruturas micro/nanofotônicas modulam as respostas espectrais dos SNSPDs.
No entanto, eles também levam a perdas de dispersão e limitam a utilização de fótons na medição de luz ultrafraca de nível de fóton único. É um tópico interessante como realizar modulações de resposta espectral SNSPD sem qualquer perda de fótons.
A equipe do Prof. Wei Zhang do Departamento de Engenharia Eletrônica da Universidade de Tsinghua, cooperando com a equipe do Prof. Lixing You do Instituto de Microssistemas e Tecnologia da Informação de Xangai (SIMIT, CAS, China), propôs um novo espectrômetro reconstrutivo de contagem de fótons baseado em o efeito de absorção em cascata de uma matriz SNSPD.
Neste esquema, os fótons com diferentes comprimentos de onda são difratados por uma rede de Rowland para diferentes locais na região de foco do chip. A matriz SNSPD está localizada na região de foco. Cada SNSPD na matriz possui um padrão diferente, que controla a absorção do nanofio supercondutor em diferentes locais.
O trabalho está publicado na revista Advanced Devices &Instrumentation .
A resposta espectral deste SNSPD é determinada pelo seu padrão e pelo efeito de absorção em cascata dos SNSPDs anteriores. Com base neste mecanismo, a resposta espectral de cada SNSPD na matriz poderia ser projetada de forma flexível, apoiando a função de um espectrômetro reconstrutivo de contagem de fótons. Na medição, todos os fótons seriam absorvidos no arranjo SNSPD sem qualquer perda de fótons, em princípio.
A equipe de pesquisa fabricou um protótipo e demonstrou o mecanismo de modulação da resposta espectral SNSPD no esquema proposto, que é baseado no efeito de absorção em cascata do arranjo SNSPD. Os resultados do experimento mostraram que o protótipo do dispositivo suportava a medição e reconstrução do espectro de luz em um único nível de fóton. A resolução espectral da medição é de 0,4 nm na faixa de comprimento de onda de 1495–1515 nm.
Este trabalho propôs um espectrômetro reconstrutivo de contagem de fótons combinando uma rede Roland no chip e um arranjo SNSPD. Ele pode medir e reconstruir o espectro de luz fraca de nível de fóton único com alta utilização de fótons, em princípio. Um protótipo de dispositivo foi projetado e fabricado para demonstrar o princípio do esquema, mostrando que as respostas espectrais dos SNSPDs são determinadas por seus padrões e pelo efeito de absorção em cascata do arranjo SNSPD.
Os resultados do experimento mostraram que o dispositivo protótipo suportava medições e reconstruções espectrais. A resolução espectral é de 0,4 nm na faixa de comprimento de onda de 1495 ~ 1515 nm. Esta pesquisa fornece uma maneira interessante e promissora de desenvolver um espectrômetro de contagem de fótons com alta utilização de fótons.
