具有定制级联探测器阵列的片上光子计数重构光谱仪
发布时间：2024-03-29 07:00:07 阅读数： 134
光子计数重构光谱仪。Credit: Advanced Devices & Instrumentation (2023)DOI: 10.34133/adi.0021
超导纳米线单光子探测器(SNSPDs)以其优异的性能被广泛应用于各种需要单光子探测的领域。由于snspd是几纳米厚度的薄膜，因此可以方便地在各种衬底上制作，并与其他光子结构结合。
snspd已经在多种材料平台上与光波导集成。波导集成snspd已在量子光子电路(QPCs)中得到广泛应用，支持片上量子干涉测量等光子量子信息功能。
用于单光子级超微弱光的光子计数光谱仪是另一个有趣的应用。近年来，一些基于snspd和片上微/纳米光子结构的光子计数光谱仪的研究工作也得到了报道。在这些工作中，微/纳米光子结构调节snspd的光谱响应。
然而，它们也会导致散射损失，限制了单光子级超微弱光测量的光子利用。如何在无光子损失的情况下实现SNSPD光谱响应调制是一个有趣的研究课题。
清华大学电子工程系张伟教授团队与上海微系统与信息技术研究所You Lixing教授团队合作，提出了一种基于SNSPD阵列级联吸收效应的新型重构光子计数光谱仪。
在该方案中，不同波长的光子被罗兰光栅衍射到芯片聚焦区域的不同位置。SNSPD阵列横跨聚焦区域。阵列中的每个SNSPD具有不同的模式，从而控制超导纳米线在不同位置的吸收。
这项研究发表在《先进设备与仪器仪表》杂志上。该SNSPD的光谱响应由其模式和之前SNSPD的级联吸收效应决定。基于该机制，可以灵活设计阵列中每个SNSPD的光谱响应，支持重构光子计数光谱仪的功能。在测量中，所有光子都被SNSPD阵列吸收，原则上没有任何光子损失。
研究小组制作了一个原型器件，并演示了该方案中基于SNSPD阵列级联吸收效应的SNSPD光谱响应调制机制。实验结果表明，该原型装置支持单光子水平的光谱测量和重建。在1495 ~ 1515 nm波长范围内，测量光谱分辨率为0.4nm。
本文提出了一种结合片上罗兰光栅和SNSPD阵列的重构光子计数光谱仪。从原理上讲，它可以测量和重建具有高光子利用率的单光子级微弱光的光谱。设计并制作了一个原型装置来演示该方案的原理，结果表明SNSPD的光谱响应是由其模式和SNSPD阵列的级联吸收效应决定的。
实验结果表明，该原型装置支持光谱测量和重建。在1495 ~ 1515 nm波长范围内，光谱分辨率为0.4 nm。该研究为开发高光子利用率的光子计数光谱仪提供了一条有趣而有前途的途径。
