[논문 리뷰] A scalable single-photon imager using a single superconducting nanowire

Qingyuan Zhao, Di Zhu외 7명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 27.

Photonic and Optical Devices인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 단일 초전도 나노와이어를 사용하여 마이크로파-플라스몬 전송선으로 기능시키는 확장 가능한 단일 광자 영상 장치를 제시한다. 이로 인해 탐지 신호가 빛의 속도의 약 2%로 느려진다. 단지 두 개의 읽기 선만으로도 19.7mm 길이의 미로형 나노와이어가 286 µm × 193 µm 영역에서 약 590개의 유효 픽셀과 50 ps의 시간 해상도를 달성하여, 복잡한 어레이 통합이 필요 없이 고해상도 시공간 광자 탐지가 가능하다.

ABSTRACT

Detecting spatial and temporal information of individual photons by using single-photon-detector (SPD) arrays is critical to applications in spectroscopy, communication, biological imaging, astronomical observation, and quantum-information processing. Among the current SPDs1,detectors based on superconducting nanowires have outstanding performance2, but are limited in their ability to be integrated into large scale arrays due to the engineering difficulty of high-bandwidth cryogenic electronic readout3-8. Here, we address this problem by demonstrating a scalable single-photon imager using a single continuous photon-sensitive superconducting nanowire microwave-plasmon transmission line. By appropriately designing the nanowire's local electromagnetic environment so that the nanowire guides microwave plasmons, the propagating voltages signals generated by a photon-detection event were slowed down to ~ 2% of the speed of light. As a result, the time difference between arrivals of the signals at the two ends of the nanowire naturally encoded the position and time of absorption of the photon. Thus, with only two readout lines, we demonstrated that a 19.7-mm-long nanowire meandered across an area of 286 {\mu}m * 193 {\mu}m was capable of resolving ~590 effective pixels while simultaneously recording the arrival times of photons with a temporal resolution of 50 ps. The nanowire imager presents a scalable approach to realizing high-resolution photon imaging in time and space.

연구 동기 및 목표

• 고대역폭의 초저온 읽기 복잡성으로 인해 기존 초전도 나노와이어 단일 광자 탐지기(SNSPD) 어레이의 확장성에 한계가 있다는 문제를 해결하기 위해.
• 다수의 개별 탐지기 대신 단일 연속 나노와이어를 사용하여 고해상도 시공간 광자 탐지를 가능하게 하기 위해.
• 단일 나노와이어를 따라 느리게 전파되는 신호의 도착 시간 차이를 통해 광자 위치와 도착 시간을 인코딩하는 읽기 전략을 개발하기 위해.
• 전자기 회로의 복잡성이 최소화된 대규모 영역, 고해상도 단일 광자 영상에 적합한 실용적이고 확장 가능한 아키텍처를 구현하기 위해.

제안 방법

• 나노와이어는 마이크로파 플라스몬을 유도하여 빛의 속도의 약 2%로 전기적 신호를 느리게 하는 전송선으로 기능하도록 설계된다.
• 광자 흡수로 인해 국소적으로 발생한 전압 펄스가 나노와이어를 따라 마이크로파 플라스몬으로 전파된다.
• 나노와이어 양 끝에서 신호 도착 시간의 차이가 광자 흡수 위치를 인코딩한다.
• 신호의 시간적 확산을 이용하여 광자의 도착 시간을 50 ps의 해상도로 결정한다.
• 초저온 읽기 선은 나노와이어의 양 끝에 각각 하나씩만 필요하여 확장 가능한 통합이 가능하다.
• 나노와이어는 단단한 영역(286 µm × 193 µm) 내에서 유효 픽셀 수를 극대화하기 위해 미로형으로 패tern링된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 초전도 나노와이어가 개별 탐지기 요소마다 독립적인 읽기 선이 필요 없이 확장 가능하고 고해상도 단일 광자 영상 장치로 기능할 수 있는가?
• RQ2 두 개의 읽기 지점만으로도 신호 전파 지연을 설계하여 공간적 및 시간적 광자 정보를 어떻게 인코딩할 수 있는가?
• RQ3 실제 신호 전파 및 시간 측정 제약 조건 하에서 단일 나노와이어로 달성 가능한 최대 유효 픽셀 수는 얼마인가?
• RQ4 전자기 회로의 복잡성이 최소화된 단일 나노와이어 아키텍처에서 50 ps 이내의 시간 해상도를 달성할 수 있는가?
• RQ5 플라스몬 기반 단일 광자 영상 시스템에서 나노와이어 길이, 신호 지연, 그리고 공간 해상도 사이의 상충 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 19.7mm 길이의 초전도 나노와이어를 286 µm × 193 µm 영역에 미로형으로 패턴링하여 단지 두 개의 읽기 선만으로도 약 590개의 유효 픽셀을 달성했다.
• 나노와이어 내에서 설계된 마이크로파 플라스몬의 구속을 통해 신호 전파 속도가 빛의 속도의 약 2%로 감속되었다.
• 광자의 도착 시간은 50 ps의 시간 해상도로 해상도가 확보되어 정밀한 시간 측정이 가능했다.
• 나노와이어의 양 끝에서 도착하는 신호의 도착 시간 차이가 광자 흡수 위치를 고정밀도로 인코딩했다.
• 각 탐지기 요소마다 복잡한 고대역폭 초저온 멀티플렉싱이 필요 없어지면서 확장성의 가능성을 입증했다.
• 전자기적 인프라가 최소화된 고해상도 대면적 단일 광자 영상이 가능해졌다.