[논문 리뷰] Crosstalk-free operation of multi-element SSPD array integrated with SFQ circuit in a 0.1 Watt GM cryocooler

Taro Yamashita, Shigehito Miki외 3명|arXiv (Cornell University)|2012. 07. 17.

Semiconductor Quantum Structures and Devices참고 문헌 7인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 0.1 W 기준의 지포드-맥마혼 냉각기 내에서 단일 플럭스 양자(SFQ) 읽기 회로와 통합된 네 요소의 초전도 나노와이어 단일 광자 검출기(SSPD) 어레이의 교차 간섭 없는 작동을 보여준다. 각 요소의 출력에 고유한 시간 지연를 부여하는 시간 해상도 읽기 기술을 사용하여, 시스템은 50 ps의 시간 지연 오차와 측정 가능한 교차 간섭이 없는 11.4%의 시스템 검출 효율을 달성하였으며, 이는 저전력 초저온 환경에서 실용적인 다요소 SSPD 작동을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We demonstrate the successful operation of a multi-element superconducting nanowire single-photon detector (SSPD) array integrated with a single-flux-quantum (SFQ) readout circuit in a compact 0.1 W Gifford-McMahon cryocooler. A time-resolved readout technique, where output signals from each element enter the SFQ readout circuit with finite time intervals, revealed crosstalk-free operation of the four-element SSPD array connected with the SFQ readout circuit. The timing jitter and the system detection efficiency were measured to be 50 ps and 11.4%, respectively, which were comparable to the performance of practical single-pixel SSPD systems.

연구 동기 및 목표

• 저전력 냉각기에서 실용적이고 컴팩트한 다요소 SSPD 어레이 어플리케이션을 가능하게 하기 위해.
• SFQ 기반 다요소 SSPD 읽기 시스템에서 병합된 신호가 개별 요소 반응을 가림으로써 발생하는 교차 간섭 검출 문제를 해결하기 위해.
• SFQ 회로를 통한 시간 해상도 신호 멀티플렉싱이 요소별 고유의 시간 정보와 검출 효율을 유지하는지 보여주기 위해.
• 실제 작동 조건에서 SFQ 멀티플렉스된 SSPD 어레이에서 교차 간섭이 무시할 만큼 작다는 것을 검증하기 위해.

제안 방법

• 15×15 µm² 총 면적을 가진 네 요소의 NbN 메ander SSPD 어레이를 4.5 nm 두께의 필름과 100 nm/200 nm의 나노와이어 폭/주기를 사용하여 제작하였다.
• 각 SSPD 요소는 광섬유 커플링 패키지의 별도의 RF 커넥터를 통해 평면파이프를 통해 연결되었으며, 1550 nm 광섬유와 기울기 인덱스 렌즈를 사용하여 빛의 집중을 수행하였다.
• MC-DC/SFQ 변환기와 융합 버퍼(CB) 게이트를 사용하여 4개의 입력 채널을 시계 펄스 없이 단일 출력으로 멀티플렉싱하는 SFQ 읽기 회로를 실현하였다.
• 각 입력에 대해 서로 다른 코axial 케이블 길이를 도입하여 SFQ 회로 출력에서의 신호 도착 시간을 다르게 함으로써 시간 해상도 읽기 기술을 달성하였다.
• 시간상관 단일 광자 카운팅(TCSPC)을 사용하여 1 ps 해상도로 광자 검출을 측정하였으며, 이로써 시간에 따라 개별 요소의 신호를 구분할 수 있었다.
• 펄스 및 연속파 레이저 소스를 사용하여 제어된 광자 유량으로 시스템 검출 효율과 시간 지연 오차를 정량화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 컴act한 0.1 W GM 냉각기 내에서 SFQ 읽기 회로와 통합된 다요소 SSPD 어레이가 교차 간섭 없이 작동할 수 있는가?
• RQ2 시간 해상도 읽기 기술을 사용하여 SFQ 멀티플렉스된 SSPD 어레이에서 개별 요소의 신호를 구분할 수 있는가?
• RQ3 이러한 시스템의 시간 지연 오차와 시스템 검출 효율은 얼마이며, 단일 피크셀 SSPD 시스템과 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ4 입사 광점의 공간적 불일치는 어레이 전반의 검출 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 시간 해상도 SFQ 읽기 기술이 다요소 SSPD 어레이에서 공간 해상도를 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 50 ps의 시간 지연 오차를 달성하였으며, 최신 기술의 단일 피크셀 SSPD 시스템과 유사한 성능을 보였다.
• 모든 요소가 동시에 편향된 상태에서도 측정 가능한 교차 간섭이 관측되지 않았다.
• 시스템 검출 효율은 11.4%였으며, 광점의 위치 불일치로 인해 개별 요소의 효율은 0.1%에서 7.9% 사이로 변동하였다.
• 개별 편향과 동시 편향 조건에서의 시간상관 히스토GRAM 피크 위치 간 격리가 2 ps 미만으로 나타나, 신호 무결성이 확인되었다.
• 요소 간 피크 진폭의 변동은 공간 해상도를 확인하였으며, 빛점이 요소 C에 정확히 위치했을 때 가장 높은 효율(7.9%)이 관측되었다.
• 광점의 위치를 요소 B로 재정렬함으로써 그 효율이 최고 수준으로 상승하여, 시스템이 광자 흡수 위치를 해상도 있게 식별할 수 있음을 확인하였다.