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Verborgene Welten sichtbar gemacht

(© Pixel Photonics GmbH 2022, Dr. Wladick Hartmann)

Ohne Farben wäre unsere Welt grau. Neuartige Quantendetektoren ermöglichen es, für unser menschliches Auge „verborgene Welten“, von der Krebszelle bis zur Supernova, in nie dagewesener Sensitivität sichtbar zu machen.

Rot, Grün und Blau sind die Farben, die unsere Welt bunt machen, da unser Auge nur in diesem Bereich sensitiv ist. Der größte Teil des Farbspektrum bleibt uns aber verborgen. Licht mit größeren Wellenlängen (infrarot), oder kleineren Wellenlängen (ultraviolett) bleibt unsichtbar, enthüllt aber viele interessante Dinge, von der Krebszelle bis zur Supernova. Neuartige Quantendetektoren, ermöglichen es, diese ‚verborgenen Welten‘ in nie dagewesener Sensitivität sichtbar zu machen und stellen so einen wichtigen technologischen Schritt in der Entwicklung optischer Messsysteme dar.

Stand heute werden vor allem Halbleiter-Detektoren verwendet, um diese Bereiche des elektromagnetischen Spektrums sichtbar zu machen, zum Beispiel in der Form von Photodioden, CCD- oder CMOS-Sensoren. Halbleiterdetektoren basieren auf dem Prinzip, dass die Energie des absorbierten Lichts Ladungsträger über die Bandlücke des Detektormaterials hebt und somit ein elektrisches Signal erzeugt wird. Die Bandlücke des Materials begrenzt hierbei direkt den spektralen Bereich, in dem ein solcher Detektor eingesetzt werden kann, wobei insbesondere bei höheren Wellenlängen (kleinere Energie), die Performanz schlechter wird. Dies führt insbesondere dazu, dass Avalanche-Photodioden (APDs) zur Detektion von einzelnen Photonen in diesem Bereich höheres Rauschverhalten zeigen.

Superconducting Nanowire Single Photon Detectors (SNSPDs) dagegen verwenden ein alternatives Detektionsprinzip. Hierbei führt die Absorption eines einzelnen Photons in einem dünnen supraleitenden Draht zum Zusammenbruch der Supraleitung, was als elektrisches Signal ausgelesen werden kann. Dieser Bruch kann durch kleinste Energien auf dem Niveau von einzelnen Lichtquanten ausgelöst werden, so dass SNSPDs über einen breiten spektralen Bereich vom Ultravioletten bis im Infraroten genutzt werden, können. Mikroskopisch erfolgt der Zusammenbruch der Supraleitung auf extrem kurzen Zeitskalen, sodass SNSPDs hohe Zeitauflösun-gen von wenigen Pikosekunden erreichen. Gleichzeitig zeigen sie sehr geringe Dunkelzählraten im Hz-Bereich und stellen somit nahezu ideale Lichtdetektoren dar, um so das Unsichtbare sichtbar machen. Im Gegensatz zu Halbleiterdetektoren ist diese Technologie nicht ohne weiteres zu hohen Kanalzahlen skalierbar, so dass meist nur wenige Detektorkanäle verwendet werden können.

Die Pixel Photonics GmbH bietet hier mit der neuartigen Waveguide-Matrix Detector (WMD)-Technologie, einen Ansatz, der die hervorragenden Leistungsdaten von SNSPDs, mit einer hoher Kanalzahl und Pixeldichte verbindet und somit ideale Detektoren für verheißungsvolle Technologien und Anwendungen, wie Quantencomputer, Quantenverschlüsselung, neue Arten der Bildgebung und Mikroskopie bereitstellt.

Technologische Vorteile
Die WMD-Technologie vereint supraleitende Detektortechnologie mit integrierter Optik und einer effizienten optischen Anbindung. Die resultierenden Einzelphotonen-Detektoren weisen einzigartigen Vorteile auf: eine hohe Geschwindigkeit (und folglich höhere mögliche Datenraten), hohe optische Bandbreite (Wellenlängen zwischen 400 – 2000 nm), extrem hohe Zeitauflösung (<10 ps) und Integration optischer Elemente (z.B. Filter, Spektrometer etc.).

Insbesondere durch letzteres können komplett neue Anwendungen wie On-Chip Spektroskopie von einzelen Photonen ermöglicht werden.

Geringer Platzbedarf – Skalierbarkeit durch Design
Aufgrund des geringen Platzbedarfs eines einzelnen Detektors sowie der Trennung zwischen optischer Kopplung und dem Detektor, ist die WMD-Technologie leichter skalierbar als herkömmliche supraleitende Detektoren. Dies ermöglicht es, potenziell tausende von Detektoren auf einem einzigen Chip und in einem einzigen kryogenen Gehäuse zu platzieren, und somit erhebliche Kosteneinsparungen für den Kunden zu ermöglichen. Gleichzeitig können so Anwendungen ermöglicht werden, bei denen eine große Anzahl von Einzelphotonen-Detektoren und zusätzlich räumliche Auflösung benötigt wird.

Unkompliziertheit – Fokus auf das Wesentliche
Die Pixel Photonics GmbH bietet komplette Detektionssysteme als Plug and Play Lösungen an.

Das System (inkl. Kühl- und Betriebselektronik) ist hierbei als Single-Button Lösung ausgelegt und in einem kleinen Formfaktor untergebracht, luftgekühlt, und kann an einer einfachen Steckdose betrieben werden.

Der Fokus auf die einfache Handhabbarkeit ermöglicht es dem Nutzer sich voll auf seine eigentliche Arbeit zu konzentrieren – innovative Anwendungen und Forschung – und gleichzeitig vom Goldstandard in der Einzelphotonendetektion zu profitieren.

Einzelphotonendetektion für anspruchsvollste Anwendungen
Die Produkte von Pixel Photonics ermöglichen anspruchsvollste Anwendung und kommen zum Beispiel in Quantencomputern zum Einsatz. Durch den breiten Wellenlängenbereich können hierbei nicht nur photonische Quantencomputer, sondern auch Ionenfallen- Neutralatom- oder Nanodiamant- basierte Systeme abgedeckt werden.

Pixel Photonics bietet neben den Detektorsystemen auch Entwicklungsdienstleistungen an, um hocheffiziente Einzelphotonendetektion für den jeweiligen Ansatz anzupassen oder zu evaluieren.

Unsere Mission „enable change and innovation“ nehmen wir dabei wörtlich und stellen Produkte und Beratung bereit, um Anwendungen am Rande des physikalisch möglichen zu ermöglichen.

Pixel Photonics GmbH

Photonische Basistechnologie

  • Sensorik, Mess- und Prüftechnik
  • Quantentechnologien
  • Photonische Integrierte Schaltkreise
  • Supraleitende Elektronik
  • Einzelphotonendetektoren

Anwendungsfelder / Märkte

  • Imaging
  • Sensing, Safety, Security
  • Laserkommunikation
  • Metrology
  • Quantencomputing
  • Quantenverschlüsselung

Impact

  • Höchste Genauigkeit / Einzelphotonensensitivität
  • Infrarot-, Sichtbar und Ultraviolett Detektion
  • Hohe Geschwindigkeit
  • Hohe Zeitauflösung

www.pixelphotonics.com

Abbildung 1: Hochfrequenzvermessung eines nanophotonischen Chips. Nach erfolgter Nanostrukturierung der integrierten photonischen Schaltkreise und supraleitenden Detektorelemente werden diese elektronisch Vermessen, bevor mit der Einhausung begonnen wird.  (© Pixel Photonics GmbH 2022, Dr. Wladick Hartmann)

Abbildung 2: Detektorchip nach erfolgter elektrischer und optischer Kontaktierung. Die stabile Kontaktierung und Einhausung ermöglicht es die Detektoren auf dem Chip einzeln anzusprechen und auszulesen.  (© Pixel Photonics GmbH 2022, Dr. Wladick Hartmann)

Quelle: NMWP-Magazin

Pixel Photonics GmbH

For many fields of research as well as industry the detection of light quanta at the single-photon level is neccessary. At Pixel Photonics we build scalable high-performance single-photon detectors based on superconducting nanowires. With our unique...mehr...