Un rilevatore di fotone singolo (SPD) è sensibile all'incidenza dei singoli quanti di luce e ha molte applicazioni nella fotonica, come misurazioni della fluorescenza, misurazione della distanza laser, riflettometro ottico nel dominio del tempo ed esperimenti di ottica quantistica.
Gli SPD nel vicino infrarosso alla lunghezza d'onda delle telecomunicazioni di 1550 nm sono indispensabili per la QKD in fibra ottica, con scelte che includono rilevatori criogenici di nanofili superconduttori a singolo fotone (SNSPD) e fotodiodi a valanga InGaAs raffreddati elettricamente (APD). Nel complesso, gli APD presentano vantaggi pratici in termini di compattezza, basso costo e non richiedono refrigerazione a temperature ultra-basse.
In modalità Geiger, la forte risposta capacitiva dell'APD al gating inferiore al nanosecondo deve essere respinta attraverso un circuito di lettura appositamente progettato in modo da consentire il rilevamento di valanghe deboli indotte da fotoni. I circuiti di lettura e gate rapidi aggiungono sfide alla modularizzazione e alla miniaturizzazione, che è un passo necessario per servire un'ampia gamma di applicazioni.
Un gruppo di ricerca ha recentemente sviluppato un nuovo circuito di lettura che incorpora un filtro per onde acustiche superficiali (SAW) in un interferometro Mach-Zehnder a radiofrequenza asimmetrico, denominato circuito di interferenza a banda ultra stretta (UNIC), e ha realizzato prestazioni eccezionali per reiezione di banda della risposta capacitiva SPD. Il lavoro è pubblicato sulla rivista Advanced Devices &Instrumentation .
Grazie al lungo ritardo di gruppo del filtro SAW, l'interferometro UNIC può produrre una reiezione di banda ultra-stretta con una tolleranza di fabbricazione facilmente ottenibile nelle lunghezze delle tracce RF.
L'UNIC può fornire una banda passante ampia e continua nel dominio della frequenza e quindi apporta poca distorsione al segnale della valanga. Il team riferisce dello sviluppo di un modulo SPD InGaAs autonomo che integra completamente l'elettronica di guida e lettura, nonché la regolazione e la compensazione della temperatura.
La sua dimensione è misurata appena 8,8×6×2 cm 3 ed è quasi 4 volte più piccolo in termini di volume rispetto al modulo rilevatore esistente più compatto che utilizza un circuito di lettura integrato monoliticamente. Allo stesso tempo, questa riduzione delle dimensioni non comporta un deterioramento delle prestazioni.
Il team di ricerca utilizza le precedenti tecniche UNIC per la lettura del segnale APD, ma aggiunge una compensazione automatica della temperatura per garantire prestazioni ottimali in un ampio intervallo di temperature ambientali.
Con un ingresso di clock da 1,25 GHz, il modulo è caratterizzato da prestazioni paragonabili alla sua controparte costruita con apparecchiature da banco. L'UNIC-SPD mostra prestazioni eccellenti con un'efficienza di rilevamento netta del 30% con una probabilità di post-impulso del 2,4% con un tempo di attesa di 3 ns. Le dimensioni compatte e le prestazioni all'avanguardia conferiscono al modulo UNIC-SPD un enorme potenziale per l'imaging di singoli fotoni e la distribuzione di chiavi quantistiche ad alta velocità.
Ulteriori informazioni: Haoyang Wang et al, Progressi nelle sorgenti di luce quantistica con miscelazione spontanea a quattro onde basate su chip, Dispositivi e strumentazione avanzati (2023). DOI:10.34133/adi.0032
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