[论文解读] A scalable single-photon imager using a single superconducting nanowire

Qingyuan Zhao, Di Zhu+7 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2016

Photonic and Optical Devices被引用 1

一句话总结

该论文提出一种可扩展的单光子成像仪，利用单根超导纳米线作为微波等离子体传输线，将探测信号速度降低至光速的约2%。仅通过两条读出线，19.7毫米长的蛇形纳米线在286 µm × 193 µm 的区域内实现了约590个有效像素和50 ps的时间分辨率，实现了无需复杂阵列集成的高时空分辨率单光子探测。

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.

研究动机与目标

• 为克服传统超导纳米线单光子探测器（SNSPD）阵列因高带宽低温读出复杂性导致的可扩展性限制。
• 通过单根连续纳米线而非多个独立探测器，实现高分辨率时空单光子探测。
• 开发一种读出策略，将光子位置和到达时间编码为沿单根纳米线传播的慢速信号的飞行时间差。
• 展示一种实用且可扩展的大面积、高分辨率单光子成像架构，电子复杂度极低。

提出的方法

• 纳米线被设计为引导微波等离子体，形成传输线，将电磁信号速度降低至光速的约2%。
• 光子吸收产生局部电压脉冲，作为微波等离子体沿纳米线传播。
• 信号在纳米线两端到达的时间差编码了光子吸收的空间位置。
• 利用信号的时间展宽来确定光子的到达时间，时间分辨率达50 ps。
• 仅需两条低温读出线，分别位于纳米线两端，实现了可扩展集成。
• 纳米线被制成蛇形结构，以在紧凑区域（286 µm × 193 µm）内最大化有效像素数量。

实验结果

研究问题

• RQ1 单根超导纳米线是否能作为可扩展、高分辨率的单光子成像仪，而无需为每个探测元件配置独立读出线？
• RQ2 如何通过仅两个读出点工程化信号传播延迟，以编码空间和时间上的光子信息？
• RQ3 在实际信号传播和时间约束下，单根纳米线可实现的最大有效像素数是多少？
• RQ4 在电子复杂度极低的单纳米线架构中，能否实现亚50 ps的时间分辨率？
• RQ5 在基于等离子体的单光子成像系统中，纳米线长度、信号延迟与空间分辨率之间的权衡关系如何？

主要发现

• 19.7毫米长的超导纳米线在286 µm × 193 µm 范围内以蛇形结构排列，仅使用两条读出线即实现了约590个有效像素。
• 通过在纳米线中工程化微波等离子体约束，将信号传播速度降低至光速的约2%。
• 光子到达时间分辨率达50 ps，实现了精确的时间测量。
• 纳米线两端信号飞行时间差准确编码了光子吸收的空间位置。
• 该系统通过消除每个探测元件所需的复杂高带宽低温复用，展示了可扩展性。
• 该方法实现了高分辨率、大面阵单光子成像，且电子基础设施需求极低。