[論文レビュー] Readout of Superconducting Nanowire Single Photon Detectors through Forward Biased Optical Modulators

Marc de, Emma E. Wollman+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2020

Photonic and Optical Devices参考文献 30被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、3.6 KでフォワードバイアスされたCMOS準拠シリコンマイクロリングモジュレータを用いて、超伝導ナノワイヤー単一光子検出器（SNSPD）の最初の直接的光出力読み出しを実証した。フォワードバイアスで動作させることで、最大10,000 pm/Vの高い変調効率と約500 Ωの低入力インピーダンスを達成し、中間アンプを介さずにSNSPDのミリボルトレベルの信号に直接接続可能となった。これにより、量子技術向けにスケーラブルで低ノイズな低温光I/Oが実現された。

ABSTRACT

Scalable, high speed data transfer between cryogenic (0.1-4 K) and room temperature environments is instrumental in a broad range of fields including quantum computing, superconducting electronics, single photon imaging and space-based communications. A promising approach to overcome the limitations of conventional wire-based readout is the use of optical fiber communication. Optical fiber presents a 100-1,000x lower heat load than conventional electrical wiring, relaxing the requirements for thermal anchoring, and is also immune to electromagnetic interference, which allows routing of sensitive signals with improved robustness to noise and crosstalk. Most importantly, optical fibers allow for very high bandwidth densities (in the Tbps/mm$^2$ range) by carrying multiple signals through the same physical fiber (Wavelength Division Multiplexing, WDM). Here, we demonstrate for the first time optical readout of a superconducting nanowire single-photon detector (SNSPD) directly coupled to a CMOS photonic modulator, without the need for an interfacing device. By operating the modulator in the forward bias regime at a temperature of 3.6 K, we achieve very high modulation efficiency (1000-10,000 pm/V) and a low input impedance of 500 $Ω$ with a low power dissipation of 40 $μ$W. This allows us to obtain optical modulation with the low, millivolt-level signal generated by the SNSPD. Optical communication is becoming the preferred I/O solution in modern, room temperature high performance systems, and this work demonstrates its suitability for scalable cryogenic readout, which could help achieve the full potential of superconducting technologies.

研究の動機と目的

• 低温超伝導デバイスと常温システム間でのスケーラブルで低ノイズなデータ転送を可能にすること。
• 低インピーダンスSNSPD（50 Ω）と高インピーダンス電気光モジュレータ（>100 kΩ）の間のインピーダンス不整合を克服すること。
• 検出器の内在的信号のみを用いてSNSPDの光読み出しを実現し、中間アンプやリセット回路の必要性を排除すること。
• フォワードバイアスされたシリコンモジュレータが、高い消費電力にもかかわらず低温温度で高い変調効率を発揮できることを実証すること。
• 将来の波長分割多重（WDM）統合を可能にし、高帯域幅・マルチチャネルの低温I/Oを実現すること。

提案手法

• 本システムは、p–nジャンクションを周囲に交互に配置したCMOSプロセスで作製されたシリコンマイクロリングレゾネータを用い、フォワードバイアスで動作する電気光モジュレータとして機能する。
• モジュレータはSNSPDからのミリボルトレベルの電気信号で駆動され、p–nジャンクションにかかる電圧がプラズマ分散効果により自由キャリア濃度と屈折率を制御する。
• フォワードバイアスにより指数関数的なキャリア注入が可能となり、3.6 Kで最大10,000 pm/Vの高い変調効率（40 μAバイアス時）を達成した。
• モジュレータの低入力インピーダンス（約500 Ω）のおかげで、SNSPDに直接接続可能であり、外部アンプやインピーダンスマッチングネットワークの必要性が排除された。
• 光学出力を、リングの共鳴波長の連続波レーザーでモニタリングし、キャリア注入による共鳴エネルギーのシフトによって透過率を変調した。
• 性能指標として変調効率、入力インピーダンス、消費電力、信号対ノイズ比（SNR）を測定するため、3.6 Kでシステムを特性評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フォワードバイアスされたシリコンマイクロリングモジュレータは、低温温度下でもSNSPDに直接接続可能な十分な変調効率を発揮できるか？
• RQ2 フォワードバイアスモジュレータの低入力インピーダンスは、SNSPDとのインピーダンス不整合を克服し、中間アンプの不要性を実現できるか？
• RQ3 光読み出しチェーンにおける達成可能な信号対ノイズ比（SNR）はどの程度か？ また、これは光子検出効率にどのように制限を及えるか？
• RQ4 低温動作が、p–nジャンクションモジュレータにおけるフォワードバイアスとリバースバイアスの性能トレードオフをどのように変化させるか？
• RQ5 光結合損失とアンプノイズをどの程度低減できるか？ これによりSNRと検出効率がどのように向上するか？

主な発見

• フォワードバイアスモジュレータは、40 μAバイアス電流および3.6 Kで最大10,000 pm/Vの変調効率を達成し、通常のリバースバイアス性能を著しく上回った。
• モジュレータは約500 Ωの入力インピーダンスを示し、SNSPDに直接接続可能であり、追加のバッファ回路やインピーダンスマッチングネットワークの必要性がなかった。
• システムは、測定されたSNRが1.83に達する光読み出しを実現した。主な要因は光結合損失と、ノイズによる誤検出を避けるために高いしきい値を必要としていたことであった。
• 理論的解析から、光結合の改善（例えば、入力EDFAの不要化）によりSNRを約10まで向上させられ、SNSPDの固有効率70％に近い検出効率を達成できることが示された。
• モジュレータのシリーズ抵抗を低減することで、入力インピーダンスを約10 Ωまで低下させられ、パasiveリセットブランチの不要化が可能になり、システムの複雑さとパラサイトインダクタンスが低減される。
• 本結果は、CMOS準拠部品を用いた直接的でスケーラブルかつ低ノイズな低温超伝導回路用光I/Oの実現可能性を示した。