Ob VW, Wallstreet oder Pharma: Wir stehen am Beginn einer Quantenrevolution. Neue Quantendetektoren stellen das Herzstück vieler Technologien dar, haben aber auch das Potential klassische Bereiche zu revolutionieren in denen Licht wichtige Information überträgt.

Licht spielt in vielen Technologien eine zentrale Rolle, da es uns ermöglicht Informationen durch Zeit und Raum zu tragen. Information wird dabei selbst durch die kleinste mögliche Lichtmenge – einem Lichtquant (Photon) – übertragen. Neuartige Quantendetektoren, machen es möglich, diese kostbare Information auszulesen und stellen so einen wichtigen technologischen Schritt in der Entwicklung optischer Messsysteme dar.

Bisher kommen hierbei vor allem Halbleiter-Detektoren zum Einsatz, zum Beispiel als 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-Photo-dioden (APDs) zur Detektion von einzelnen Photonen in diesem Bereich höheres Rauschverhalten zeigen. Eine große Stärke dieser Technologie ist die gute Skalierbarkeit, die es ermöglicht großflächige multi-Pixel-Sensoren herzustellen, wie sie in Kameras heute überall zum Einsatz kommen.

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 UV bis NIR genutzt werden können. Mikroskopisch erfolgt der Zusammenbruch der Supraleitung auf extrem kurzen Zeitskalen, sodass SNSPDs hohe Zeitauflösungen von wenigen Pikosekunden erreichen können. Gleichzeitig zeigen sie sehr geringe Dunkelzählraten im Hz-Bereich und stellen somit nahezu ideale Lichtdetektoren dar. Konventionelle SNSPDs haben bislang aufgrund ihrer Größe limitierte Skalierbarkeit gezeigt, so dass meist Einzelpixel SNSPDs verwendet werden.

In jüngerer Zeit rückt die Detektion von einzelnen Photonen immer mehr in den Fokus, da sie das Herzstück vieler Anwendungen und aufstrebender Technologien, wie z.B. der Quantenkommunikation, super-auflösender Bildgebung oder Mikroskopie, darstellt.

Sowohl Halbleiter- als auch herkömmliche SNSPD-Technologien kommen hier an ihre Grenzen, entweder durch die Anforderungen an Leistung und Effizienz oder an die Skalierbarkeit. Die neuartige Waveguide-Matrix Detector (WMD)-Technologie, entwickelt und patentiert von Forschungsgruppen am Center for Nanotechnology der Universität Münster, kann diese Grenzen überwinden: Die WMD-Technologie liefert die hervorragenden Leistungsdaten von SNSPDs, ermöglichen aber auch Einzelphotonen-Sensoren mit hoher Pixelzahl und Dichte und stellen somit ideale Lichtdetektoren für anspruchsvolle Aufgaben dar.

Technologische Vorteile

Als zentrale Elemente vereint die WMD-Technologie supraleitende Detektortechnologie mit integrierter Optik. Dies resultiert in Einzelphotonen-Detektoren mit einzigartigen Vorteilen, wie zum Beispiel eine hohe Geschwindigkeit (und folglich höhere mögliche Datenraten). Auch ermöglicht dies die Integration mit anderen optischen Elementen (wie Filtern, Spektrometern etc.) direkt auf dem Chip, was komplett neue Anwendungen wie On-Chip Spektroskopie ermöglicht. Gleichzeitig kann - wenn gewünscht - ein großer spektraler Bereich von 400 – 2000 nm detektiert werden.

Skalierbarkeit durch Design

Aufgrund des geringen Platzbedarfs eines einzelnen Detektors sowie der Trennung von optischer Kopplung und dem Detektor selbst, ist die WMD-Technologie leichter skalierbar als herkömmliche vergleichbare Detektoren. Dies ermöglicht es, potenziell Tausende von Detektoren auf einem einzigen Chip und in einem einzigen kryogenen Gehäuse zu platzieren, was nicht nur erhebliche Kosteneinsparungen für den Kunden ermöglicht, sondern auch neue Anwendungen, bei denen eine große Anzahl von Einzelphotonen-Detektoren und zusätzlich räumliche Auflösung benötigt werden.

WMD-Sensoren zur Marktreife entwickeln

Unsere Forschungsgruppen an der Universität Münster (WWU) planen, diese Technologie in naher Zukunft zur Marktreife zu entwickeln. Zu diesem Zweck wurde Ende 2020 das durch EXIST geförderte StartUp Pixel Photonics gegründet. In enger Zusammenarbeit mit Partnern aus Industrie und Forschung sind erste Demonstratoren für 2021 geplant, die Markteinführung folgt kurz danach.

Anwendungen

Die Technologie ermöglicht spannende Anwendungsmöglichkeiten, die über traditionelle SNSPDs und andere Detektionstechnologien hinaus gehen. Für WMD-Sensoren, die in Zukunft in ein kompaktes, schlüsselfertiges Produkt mit dem gesamten Kühlsystem sowie der Elektronik integriert werden, um so einen einfachen und anpassungsfähigen Betrieb zu ermöglichen, werden folgende Anwendungsbereiche anvisiert:

Quantenkommunikation

Aufgrund wachsender Anforderungen an Unternehmen und Organisationen im Bereich der Datensicherheit hat sich im letzten Jahrzehnt ein schnell wachsender Markt für Quantenverschlüsselung entwickelt. Herkömmliche Einzelphotonen-Detektoren limitieren die Übertragungsraten bestehender Technologien. WMD-Detektoren versprechen eine Parallelisierung und damit eine erhebliche Steigerung der erreichbaren Datenraten, die mit den derzeitigen Technologien nicht so kosteneffizient möglich sind.

Life Sciences

WMD-Detektoren bieten große Vorteile für Anwendungen im Bereich der Super-Resolution-Mikroskopie, Fluoreszenzlebensdauer-Mikroskopie oder Spektrometrie. Aufgrund des integrierten Aufbaus können WMD-Detektoren mit Einzel-photonen-Spektrometern gebaut werden, während sie zusätzlich exzellente zeitliche und räumliche Auflösung bieten.

LIDAR

Light Detection and Ranging (LIDAR) wird häufig im extremen Schwachlichtbereich betrieben, was die Einzelphotonen-Detektion zu einer wichtigen Eigenschaft für diese Anwendung macht. Durch die Kombination von Multi-Pixel-Sensoren mit der sehr guten Zeitauflösung werden 3D-Scans mit einer räumlichen Auflösung bis zu wenigen mm über große Distanzen möglich.

Metrologie

Metrologische Messungen, wie z.B. zur Verfahrenskontrolle auf sehr kleinen Größenskalen in der Halbleiterfertigung, spielen eine entscheidende Rolle in der industriellen Produktion. Kleinste Lichtmengen müssen hier mit größter Genauigkeit detektiert werden, um präzise Prozesse mit einer sehr guten Replizierbarkeit zu garantieren.

Mit der Ausgründung von Pixel Photonics aus dem universitären Kontext haben wir es uns zum Ziel gesetzt, den nächsten technologischen Sprung im Bereich der Quantentechnologien entscheidend mit zu prägen. Durch die Realisierung und die skalierbare Herstellung sehr lichtsensitiver Detektoren können bereits bestehende Anwendungsfelder ausgeweitet und neue Einsatzgebiete realisiert werden.

Ansprechpartner:
Nicolai Walter

Pixel Photonics UG

Technologie

• Einzelphotonen-Detektoren
• Supraleiter
• Integrierte Optik
• Quantenoptik

Innovation / USP

• Hoch performante Einzelphotonen-Detektoren basierend auf der Waveguide-Matrix Detector (WMD)-Technologie
• Kosteneffizienz durch innovatives Chip-Design

Zielmärkte

• Quantentechnologien
• (Quantenkryptographie & -computing)
• Mikroskopie, LIDAR & Metrologie

www.pixelphotonics.com

Abbildung 1: Detektorchip auf Testboard (© Pixel Photonics UG, Foto W. Hartmann)
Abbildung 2: Elektronische Kontaktierung Detektorchip (© Pixel Photonics UG, Foto W. Hartmann)