[论文解读] 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 4

一句话总结

本论文首次在3.6 K下通过正向偏置的CMOS兼容硅微环调制器实现了对超导纳米线单光子探测器（SNSPD）的直接光学生读出。通过在正向偏置下运行调制器，系统实现了高达10,000 pm/V的调制效率和约500 Ω的低输入阻抗，从而可直接耦合到SNSPD的毫伏级信号，无需中间放大器，因此实现了可扩展、低噪声的低温光学生输入/输出，适用于量子技术。

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.

研究动机与目标

• 实现低温超导器件与室温系统之间可扩展、低噪声的数据传输。
• 克服低阻抗SNSPD（50 Ω）与高阻抗电光调制器（>100 kΩ）之间的阻抗失配问题。
• 仅利用探测器本身的固有信号实现SNSPD的光学生读出，消除对中间放大器或复位电路的需求。
• 证明正向偏置的硅调制器即使在更高功耗下，也能在低温下实现高调制效率。
• 为未来与波分复用（WDM）技术集成以实现高带宽、多通道低温光学生输入/输出奠定基础。

提出的方法

• 系统采用CMOS工艺制造的硅微环谐振器，其周长上交错排列p–n结，作为正向偏置的电光调制器工作。
• 调制器由SNSPD的毫伏级电信号驱动，p–n结两端的电压通过等离子体色散效应控制自由载流子浓度，从而调节折射率。
• 正向偏置工作可实现指数级载流子注入，使调制效率在3.6 K下达到最高10,000 pm/V（偏置电流为40 μA）。
• 调制器的低输入阻抗（约500 Ω）使其可直接耦合至SNSPD，无需外部放大器或阻抗匹配网络。
• 通过连续波激光在谐振波长处监测光学生输出，通过载流子注入引起的共振波长移动实现调制。
• 系统在3.6 K下进行表征，测量性能指标包括调制效率、输入阻抗、功耗和信噪比（SNR）等。

实验结果

研究问题

• RQ1 正向偏置的硅微环调制器是否能在低温下实现足够高的调制效率，以直接与SNSPD接口？
• RQ2 正向偏置调制器的低输入阻抗是否能克服与SNSPD之间的阻抗失配，从而消除对中间放大器的需求？
• RQ3 光学生读出链路中可实现的信噪比（SNR）是多少？其对单光子探测效率有何限制？
• RQ4 低温运行如何改变p–n结调制器中正向与反向偏置之间的性能权衡？
• RQ5 光学耦合损耗和放大器噪声在多大程度上可被抑制，以提升SNR和探测效率？

主要发现

• 正向偏置调制器在40 μA偏置电流和3.6 K下实现了最高10,000 pm/V的调制效率，显著优于典型反向偏置性能。
• 调制器表现出约500 Ω的输入阻抗，可直接耦合至SNSPD，无需额外缓冲或阻抗匹配网络。
• 系统实现了光学读出，实测信噪比（SNR）为1.83，主要受限于光学耦合损耗以及为避免噪声引起的误触发而需设置的高阈值。
• 理论分析表明，若改善光学耦合（例如，消除对输入前置低噪声放大器EDFA的需求），SNR可提升至约10，从而实现接近SNSPD本征探测效率70%的探测效率。
• 降低调制器的串联电阻可使其输入阻抗降至约10 Ω，从而消除对无源复位支路的需求，降低系统复杂度和寄生效应。
• 结果证明了利用CMOS兼容器件实现直接、可扩展、低噪声低温光学生输入/输出的可行性。