Forskare från National Institute of Information and Communications Technology har uppfunnit en ny struktur i en supraledande remsa fotondetektor som möjliggör högeffektiv fotondetektion även med en bred remsa, och lyckats utveckla världens första Superconducting Wide-Strip Photon Detector (SWSPD).
Bandbredden på detektorn är över 200 gånger bredare än den för konventionella superledande NanoStrip Photon Detectors (SNSPD). Denna teknik kan hjälpa till att lösa problemen med låg produktivitet och polarisationsberoende som finns i konventionella SNSPD. Den nya SWSPD förväntas tillämpas i olika avancerade teknologier såsom kvantinformationskommunikation och kvantdatorer, vilket möjliggör tidig social implementering av dessa avancerade teknologier.
Verket publiceras i tidskriften Optica Quantum .
Fotondetektionsteknologi är en strategisk kärnteknologi för att åstadkomma en innovation inom ett brett spektrum av avancerade teknikområden, inklusive kvantinformationskommunikation och kvantberäkning, som för närvarande genomgår intensiv forskning och utveckling på global skala, och även observation av levande cellfluorescerande, optisk kommunikation i rymden, laseravkänning och mer.
NICT-forskargruppen har utvecklat en SNSPD med en bandbredd på 100 nm eller mindre. De har framgångsrikt uppnått hög prestanda som överträffar andra fotondetektorer och har visat dess användbarhet genom att tillämpa den på kvantinformationskommunikationsteknologi. Tillverkningen av SNSPD kräver dock bildandet av nanostripstrukturer med hjälp av avancerad nanotillverkningsteknik, vilket orsakar variationer i detektorprestanda och hindrar produktivitetsförbättringar. Dessutom har närvaron av polarisationsberoende på grund av den supraledande nanostrip-slingrande strukturen också begränsat tillämpningsområdet som fotondetektor.
I detta arbete uppfann NICT en ny struktur kallad "High Critical Current Bank (HCCB) structure" som möjliggör högeffektiv fotondetektion även om bandbredden vidgas i den supraledande bandfotondetektorn, och lyckades utveckla en SWSPD med en bredd på 20 mikrometer – över 200 gånger bredare än den konventionella nanostrip-fotondetektorn – och uppnådde högpresterande drift för första gången i världen.
Nanostrip-typen som utvecklats av NICT krävde bildandet av extremt långa supraledande nanostrips med en remsbredd på 100 nm eller mindre i en slingrande form. Den breda remstypen kan nu formas med endast en enda kort rak supraledande remsa.
Denna SWSPD kräver ingen nanotillverkningsteknik och kan tillverkas med högproduktiv fotolitografiteknik för allmän användning. Dessutom, eftersom remsbredden är bredare än den infallande ljusfläck som bestrålas från den optiska fibern, är det möjligt att eliminera polarisationsberoendet som ses i detektorn av nanostriptyp.
Som ett resultat av prestandautvärdering av denna detektor, mätte detekteringseffektiviteten i telekommunikationsvåglängdsbandet (λ=1 550 nm) 78 %, vilket är jämförbart med 81 % av nanostrip-typen. Dessutom visade timing-jitter bättre numeriska värden än nanostrip-typen.
Denna prestation möjliggör tillverkning av fotondetektorer med högre produktivitet och överlägsen prestanda och funktioner jämfört med nanostrip-typen som har positionerats som en oumbärlig fotondetektionsteknik inom avancerade teknikområden såsom kvantinformationskommunikation. Sådan teknik förväntas tillämpas på olika tekniker för kvantinformationskommunikation och vara en viktig grundteknik för att förverkliga nätverksanslutna kvantdatorer som marknadsförs i JST Moonshot Goal 6.
I framtiden kommer teamet att ytterligare utforska HCCB-strukturen i SWSPD, för att detektera fotoner med hög effektivitet, inte bara i telekommunikationsvåglängdsbandet, utan också i ett brett våglängdsband från det synliga till det mellaninfraröda. Vidare kommer de också att försöka utöka storleken på fotonmottagningsområdet för att utöka applikationerna såsom optisk kommunikationsteknologi för djup rymd, laseravkänning, observation av levande celler och mer.
Mer information: Masahiro Yabuno et al, superledande fotondetektor med bred remsa med hög kritisk strömbankstruktur, Optica Quantum (2023). DOI:10.1364/OPTICAQ.497675
Tillhandahålls av National Institute of Information and Communications Technology (NICT)
