Φωτονική ανάγνωση των υπεραγωγών ανιχνευτών μεμονωμένων φωτονίων Nanowire

Αφηρημένη Η κλιμακούμενη, χαμηλής ισχύος, μεταφορά δεδομένων υψηλής ταχύτητας μεταξύ κρυογονικών (0,1-4 K) και περιβάλλοντος θερμοκρασίας δωματίου είναι απαραίτητη για την πραγματοποίηση πρακτικών, μεγάλης κλίμακας συστημάτων που βασίζονται σε υπεραγωγικές τεχνολογίες. Μια πολλά υποσχόμενη προσέγγιση για την υπέρβαση των περιορισμών των συμβατικών ενδείξεων με βάση το σύρμα είναι η χρήση της επικοινωνίας οπτικών ινών. Οι οπτικές ίνες παρουσιάζουν χαμηλότερο φορτίο θερμότητας 100-1000x από τις συμβατικές ηλεκτρικές καλωδιώσεις, χαλαρώνοντας τις απαιτήσεις για θερμική αγκύρωση και είναι επίσης απρόσβλητες από ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές, η οποία επιτρέπει τη δρομολόγηση ευαίσθητων σημάτων με βελτιωμένη ανθεκτικότητα στον θόρυβο και το crosstalk. Το πιο σημαντικό, οι οπτικές ίνες επιτρέπουν πολύ υψηλές πυκνότητες εύρους ζώνης (στα Tbps / mm 2εύρος) μεταφέροντας πολλαπλά σήματα μέσω της ίδιας φυσικής ίνας (Multiplexing Division Wavelength Division, WDM). Εδώ, επιδεικνύουμε για πρώτη φορά οπτική ανάγνωση ενός υπεραγωγού ανιχνευτή μονό-φωτονίων nanowire (SNSPD) που συνδέεται άμεσα με έναν φωτονικό διαμορφωτή CMOS, χωρίς την ανάγκη για μια συσκευή διασύνδεσης. Με τη λειτουργία του διαμορφωτή στο καθεστώς προκατάληψης προς τα εμπρός σε θερμοκρασία 3,6 K, επιτυγχάνουμε πολύ υψηλή απόδοση διαμόρφωσης (1.000–10.000 pm / V) και χαμηλή αντίσταση εισόδου 500 Ω με χαμηλή απόκριση ισχύος 40  μ W. Αυτό επιτρέπει να αποκτήσουμε οπτική διαμόρφωση με το σήμα χαμηλού επιπέδου millivolt που παράγεται από το SNSPD......Εισαγωγή Αν και πολλά υποσχόμενο, η οπτική ανάγνωση κρυογονικών συσκευών είναι δύσκολη. Πρώτον, χρειαζόμαστε ημιαγωγούς ηλεκτρο-οπτικές συσκευές που λειτουργούν σε κρυογονικές θερμοκρασίες, όπου επιδράσεις όπως η κατάψυξη φορέων (ο ελλιπής ιονισμός των ρ-και ν-τύπου ντόπιντων λόγω μειωμένης θερμικής ενέργειας) μπορούν να εμποδίσουν την απόδοση της συσκευής 1 . Δεύτερον, ενώ οι υπεραγωγικές συσκευές έχουν εγγενώς χαμηλή αντίσταση, οι τυπικές αντίσταση εισόδου για ηλεκτρο-οπτικούς διαμορφωτές είναι υψηλές (> 100  kΩ). Αυτή η αναντιστοιχία αντίστασης καθιστά την άμεση παράδοση ηλεκτρικών σημάτων από την υπεραγωγική συσκευή στον διαμορφωτή. Τρίτον, πρέπει να λειτουργήσουμε με τα ηλεκτρικά σήματα εύρους mV που χαρακτηρίζουν τα υπεραγώγιμα ηλεκτρονικά, ενώ τα σήματα οδήγησης για συμβατικούς ηλεκτρο-οπτικούς διαμορφωτές θερμοκρασίας δωματίου βρίσκονται στην περιοχή 0,5 V-2 V. Για να ξεπεραστούν αυτοί οι περιορισμοί, οι προηγούμενες επιδείξεις βασίστηκαν στη χρήση μιας συσκευής διασύνδεσης μεταξύ των υπεραγωγών και των ηλεκτρο-οπτικών συσκευών. Η χρήση ενισχυτών ημιαγωγών είναι δυνατή 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , αλλά η απόρριψη ισχύος κλίμακας mW εμποδίζει την επεκτασιμότητά της. Μια άλλη εναλλακτική λύση είναι να χρησιμοποιήσετε ένα νανοκρυρόνιο 8 , αλλά αυτό απαιτεί ενεργή επαναφορά της συσκευής κάθε φορά που δημιουργείται ένας παλμός. Πρόσφατα, έχει αναφερθεί η χρήση ενός κρυογονικού θερμικού διακόπτη για να οδηγήσει μια δίοδο λέιζερ με χαμηλή κατανάλωση ισχύος 9 , αλλά ένας αργός χρόνος απενεργοποίησης 15 ns περιορίζει το εφικτό εύρος ζώνης αυτής της προσέγγισης. Εδώ, χρησιμοποιούμε έναν οπτικό διαμορφωτή πυριτίου που μεροληπτεί στο καθεστώς προώθησης. Λόγω της υψηλής απόδοσης, η διαμόρφωση του οπτικού φορέα επιτυγχάνεται με τις μικρές τάσεις που δημιουργούνται από το SNSPD. Λόγω της χαμηλής αντίστασης εισόδου, είναι δυνατή η άμεση παράδοση του σήματος SNSPD στον διαμορφωτή. Ως εκ τούτου, πραγματοποιούμε οπτική ανάγνωση χωρίς την ανάγκη συσκευής διασύνδεσης (Εικ. 1 (α) )
Διαμορφωτής CMOS προς τα εμπρός για κρυογονική οπτική ανάγνωση. ( α ) Σύστημα οπτικής ανάγνωσης. Η υπεραγωγική συσκευή (ένα SNSPD εδώ) οδηγεί απευθείας έναν οπτικό διαμορφωτή, ο οποίος κωδικοποιεί τα δεδομένα σε έναν οπτικό φορέα. Δεξιά: Μικρογραφία (πάνω) και διάταξη (κάτω) του διαμορφωτή δακτυλίου πυριτίου σχήματος Τ. ( Β ) ρη ζώνη διασταύρωση αγωγιμότητας Modulator και δωρεάν διανομή ηλεκτρονίων \ (n (E) \) για τάσεις V και V + Δ V . Λόγω του ότι το \ (n (E) \) κατανέμεται καλά σε χαμηλές θερμοκρασίες, το ίδιο Δ V οδηγεί σε ισχυρότερη έγχυση ρεύματος. ( γ ) Φάσματα μετάδοσης του διαμορφωτή σε διαφορετικές τάσεις πόλωσης. ( δ) Καμπύλη IV του διαμορφωτή. Η λειτουργία χαμηλής θερμοκρασίας αυξάνει την τάση ενεργοποίησης (λόγω του αυξημένου δυναμικού) και της κλίσης IV (λόγω αυστηρότερης κατανομής \ (n (E) \) ). ( ε ) Διαφορική αντίσταση του διαμορφωτή ( \ ({r} _ {d} = dV / dI = {k} _ {B} T / qI + {R} _ {s} \) ). Στα 3,6 K και ρεύματα> 5 μΑ , ο ιονισμός μειώνει την αντίσταση της σειράς. ( στ ) Απόδοση διαμόρφωσης έναντι τάσης. Μια εκθετική αύξηση μετριέται σε μεροληψία προς τα εμπρός. ( ζ ) Απόδοση διαμόρφωσης έναντι ηλεκτρικής ισχύος DC. Υψηλότερη απόδοση επιτυγχάνεται για την ίδια ισχύ στα 3,6 K. ( h ) Αλλαγή μετάδοσης έναντι αποσύνδεσης μεταξύ μήκους κύματος λέιζερ λ και μήκους κύματος συντονισμούλ 0 για κατανάλωση ισχύος 1,3 μ W DC και σήμα AC 2 mV. Η αυξημένη απόδοση διαμόρφωσης καθιστά το Δ T πολύ πιο δυνατό σε χαμηλές θερμοκρασίες.>>>>

Αρχή λειτουργίας της οπτικής ανάγνωσης SNSPD. ( α ) Το υπεραγώγιμο SNSPD παρέχει μια διαδρομή χαμηλής σύνθετης αντίστασης στο έδαφος, έτσι ώστε όλο το ρεύμα προκατάληψης να ρέει μέσα από αυτό. ( β ) Όταν το SNSPD απορροφά ένα φωτόνιο, η ανεπτυγμένη αντίσταση hotspot εκτρέπει το ρεύμα στην ένδειξη, παράγοντας έναν παλμό τάσης που οδηγεί τον διαμορφωτή και μετατοπίζει τον συντονισμό του, αλλάζοντας έτσι το μεταδιδόμενο φως. ( γ ) Το κύκλωμα παθητικής επαναφοράς παρέχει μια διαδρομή χαμηλής αντίστασης στο έδαφος, επιτρέποντας στο hotspot να χαλαρώσει θερμικά και το SNSPD να επιστρέψει στην υπεραγωγική του κατάσταση. C DECOUPLING  = 100 pF, L RESET  = 8 μ H, R RESET  = 50 Ω.