[논문 리뷰] Readout of Superconducting Nanowire Single Photon Detectors through Forward Biased Optical Modulators

Marc de, Emma E. Wollman외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 29.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 30인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 3.6 K에서 전방 편향된 CMOS 호환성 있는 실리콘 마이크로링 변조기로 초전도 나노와이어 단일 광자 검출기(SNSPD)의 직접 광학적 읽기 기록을 처음으로 구현한다. 변조기를 전방 편향 상태로 작동시켜 고조율 변조(최대 10,000 pm/V)와 저입력 임피던스(~500 Ω)를 달성함으로써, 중간 증폭기 없이 SNSPD의 밀리볼트 수준의 신호에 직접 연결할 수 있게 되었으며, 이는 양자 기술 분야를 위한 확장 가능하고 낮은 노이즈의 고온-저온 광학 I/O를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 저온 초전도 장치와 실온 시스템 간의 확장 가능한, 낮은 노이즈의 데이터 전송을 가능하게 하기 위해.
• 저임피던스 SNSPD(50 Ω)와 고임피던스 전기광학 변조기(>100 kΩ) 사이의 임피던스 불일치 문제를 해결하기 위해.
• 검출기의 내재 신호만을 사용하여 SNSPD의 광학적 읽기를 실현함으로써 중간 증폭기나 리셋 회로가 필요 없도록 하기 위해.
• 전방 편향된 실리콘 변조기가 고온에서 높은 변조 효율을 제공할 수 있음을 입증함으로써 고온에서의 높은 전력 소모에도 불구하고 가능성을 입증하기 위해.
• 향후 파장 분할 multiplexing(WDM)과의 통합을 통해 고대역폭, 다중 채널 고온-저온 I/O를 실현하기 위해.

제안 방법

• CMOS 공정으로 제작된 실리콘 마이크로링 공진기로, 그 둘레에 교차 배열된 p–n 접합을 포함하며, 전방 편향 전기광학 변조기로 기능한다.
• 변조기는 SNSPD의 밀리볼트 수준의 전기적 신호에 의해 구동되며, p–n 접합에 걸리는 전압이 자유 운반자 농도를 조절하고, 이로 인해 플라즈마 분산 효과에 의해 굴절률이 변화한다.
• 전방 편향 작동은 기하급수적 운반자 주입을 가능하게 하여, 3.6 K에서 최대 10,000 pm/V의 높은 변조 효율(40 μA 편향 전류 시)을 달성한다.
• 변조기의 저입력 임피던스(~500 Ω) 덕분에 SNSPD에 직접 연결이 가능하여 외부 증폭기나 리셋 회로가 필요 없게 된다.
• 연속파 레이저를 사용하여 공진 파장에서 광학적 출력을 모니터링하며, 운반자 주입에 의해 공진이 이동함으로써 전송이 변조된다.
• 시스템은 3.6 K에서 특성 분석되었으며, 변조 효율, 입력 임피던스, 전력 소모, 신호 대 노이즈비(SNR) 등의 성능 지표가 측정되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전방 편향된 실리콘 마이크로링 변조기가 저온에서 SNSPD에 직접 연결할 수 있을 정도로 충분한 변조 효율을 확보할 수 있는가?
• RQ2 전방 편향된 변조기의 저입력 임피던스가 SNSPD와의 임피던스 불일치 문제를 해결하여 중간 증폭기가 필요 없도록 할 수 있는가?
• RQ3 광학적 읽기 체인에서 달성 가능한 신호 대 노이즈비(SNR)는 얼마이며, 이는 광자 검출 효율에 어떤 제약을 끼치는가?
• RQ4 저온 작동 조건에서 p–n 접합 변조기의 전방 편향과 역방향 편향 간의 성능 트레이드오���은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 광학적 결합 손실과 증폭기 노이즈를 얼마나 줄일 수 있으며, 이를 통해 SNR와 검출 효율을 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 전방 편향된 변조기는 40 μA 편향 전류 및 3.6 K 조건에서 최대 10,000 pm/V의 변조 효율을 달성하였으며, 일반적인 역방향 편향 성능을 크게 초월하였다.
• 변조기는 약 500 Ω의 입력 임피던스를 보였으며, 이는 SNSPD에 직접 연결 가능하게 하여 추가 버퍼링 또는 임피던스 매칭 네트워크가 필요 없음을 의미한다.
• 시스템은 측정된 SNR 1.83를 기록하였으며, 주로 광학적 결합 손실과 노이즈에 의한 잘못된 카운트를 방지하기 위한 높은 임계값으로 인해 제한되었다.
• 이론적 분석에 따르면, 입력 전력 증폭기(EDFA)가 필요 없도록 광학적 결합을 향상시키면 SNR가 약 10까지 향상되어 SNSPD의 내재된 70% 효율에 가까운 검출 효율을 달성할 수 있다.
• 변조기의 시리즈 저항을 줄이면 입력 임피던스를 약 10 Ω까지 낮출 수 있으며, 이는 수동 리셋 브랜치가 필요 없게 하고 시스템 복잡성과 파라시틱 성분을 감소시킨다.
• 결과적으로, CMOS 호환 성분을 사용하여 직접적이고 확장 가능하며 낮은 노이즈의 고온-저온 광학 I/O가 가능함을 입증하였다.