Einzelphotonen-Detektoren für Langstreckenkommunikation im Weltall

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1 Einzelphotonen-Detektoren für Langstreckenkommunikation im Weltall Thomas Ortlepp CiS Forschungsschwerpunkt: Silizium-Detektoren Die Hochleistungs-Detektoren des CiS Forschungsinstituts werden im AMS-02 eingesetzt, das von der Raumstation ISS aus die kosmische Höhenstrahlung untersucht. CiS wurde mit dem Industrial supplier award als Serien-Lieferant der hochempfindlichen Strahlungsdektoren für denteilchenbeschleuniger CERN ausgezeichnet 2 1

2 Prozessierte Silizium-Wafer Die Endeavour (Start am 16. Mai 2011) hat das Alpha Magnetic Spectrometer an Bord, das nach den Ursprüngen des Lebens im Weltall sucht. Logo aus Wikipedia Das CiS hat als Kernstück des AMS Wafer mit Strahlungsdetektoren beigetragen, die zum Nachweis energiereicher Strahlung im Kosmos dienen. 3 Gliederung 1. Motivation 2. Anforderungen für die Ansteuerung und Auslese von Quantendetektoren 3. Supraleitende Einzelphotonen-Detektoren und deren Auslese 4. Zukunftspotential: Multipixel-Quantendetektoren 4 2

3 Photonische Detektoren Menschliche Auge Photomultipliers Single-photon avalanche photodiodes Supraleiter Verschiedene Konzepte: z.b. SNSPD 5 Beispiel für große CCD Kamera Kepler-Weltraumteleskop (Start: März 2009) Schmidt-Teleskop mit 1,4 m Hauptspiegel Beobachtung eines festen Ausschnittes im Sternbild Untersuchung kleiner Planeten, veränderlicher Sterne und Bewertung möglicher Bewohnbarkeit 6 3

4 Zusammengesetztes focal plane array 42 CCD Sensoren im Focus jeder Sensor ist 50 mm x 25 mm groß und besitzt 2200 x 1024 Bildpunkte (insgesamt 95 Megapixel) Wellenlängen von nm eingebaut 7 CCD Ausleseelektronik Typisch CCD Kameras benutzen 3 Transistoren je Bildpunkt. im Kepler Teleskop: Ausleseschaltung mit 9 Transistoren pro Bildpunkt Bildpunkt-Layout 22µm x 22 µm Größe 8 HSIEH et al.: INFRARED IMAGING SYSTEMS 4

5 Strahlungsdetektoren VIS/IR Nur supraleitende Detektoren bieten: hohe spektrale Breite geringe dark-counts Einzelphotonen-Auflösung und gleichzeitig sehr hoher Zählrate 9 Langstreckenkommunikation im Weltall Langstreckenkommunikation erfordert sehr große Antennen NASA Projekt: Deep space communication basiert auf modulierten IR-Laserstrahl mit 4 Photonen pro Bit am Empfänger Zieltechnologie: SNSPD Empfänger System Datenrate: 600 Mbps 10 5

6 NASA Technologieauswahl und Bewertung 11 Vergleich Ausleseelektronik: Halbleiter/Supraleiter Die Ausleseelektronik muss unter den gleichen Bedingungen, wie der Detektor betrieben werden, um Fokal-Plane Arrays zu ermöglichen Halbleiterelektronik (CMOS) Supraleiterelektronik Verbesserung Verlustleistung 100 µw/gatter 50 nw/gatter 2000 x Schaltzeit 15 ps 5 ps 3 x Integrationsdichte extrem hoch ausreichend Empfindlichkeit gering sehr hoch 300 x Maximal Pixelzahl (1 mw Limit) x 12 6

7 Referenz F. Marsili, et. al, "Detecting Single Infrared Photons with 93% System Efficiency", Nature Photonics, 7, 210 (2013) Single-photon detectors at near-infrared wavelengths with - high system detection efficiency (>90%), - low dark count rate (<1 c.p.s.), - low timing jitter (<100 ps) and - short reset time (<100 ns) enable landmark experiments in a variety of fields. 13 Erste Demonstration der SSPD Auslese mit Supraleiter-Elektronik Ortlepp et al., OPTICS EXPRESS, Vol. 19, No. 20, (2011): Einzelphoton wird ein Einzelflussquantenimpuls umgewandelt 14 7

8 Sind mehrere Bildpunkte möglich? derzeitige Auslesetechnik: ein diskreter Mikrowellenverstärker pro Detektor Verlustleistung zu hoch zur Integration mit dem Detektor Nicht Skalierbar bisher maximal 4 Bildpunkte demonstriert Herausforderungen: digitales Multiplexing der Ausgangskanäle nur sehr kleine Verlustleistung möglich hohe Zählrate notwendig 15 Mehrkanal-Auslese Yamashita et al., Opt. Lett., Vol. 37, pp (2012) Hofherr et al., OPTICS EXPRESS Vol. 20, No. 27, (2012) 16 8

9 NbN Nanowire mit digitaler Ausleseschaltung NbN Nano-wire Detektor (KIT) 3.5 nm Schichtdicke, 100 nm Linienbreite 3.5 µm x 4 µm Detektorfläche Die Ausleseschaltung wurde am IPHT hergestellt und erlaubt die Auslese von vier Kanälen gleichzeitig. 17 Multi-Chip Modul mit optischer Einkopplung Supraleitender Schaltkreis am IPHT Jena hergestellt Detektorschaltkreis am KIT hergestellt modulierter Photonenstrahl wird durch optische Faser eingekoppelt 18 9

10 Erste Demonstration der SSPD Auslese modulierter Photonenstrom wird digitalisiert und die Signalform rekonstruiert (TU Ilmenau + KIT) 19 Chip-on-chip Version NbN SNSPD 3.5 µm x 4 µm Josephson comparator detector chip 1 mm x 1mm KIT SFQ chip 5 mm x 5 mm SFQ circuit dc/sfq, JTL, comparator, JTL, Suzuki stack 20 10

11 High-speed interface circuit SFQ-to-Suzuki stack interface output pulse amplitude about 10 mv 5 GHz operation clk data out data in T. Ortlepp et a., Supercond. Sci. Technol. Vol. 26, (12pp), (2013) 200 ps/div 21 Zusammenbau SNSPD detector chip 1 mm x 1mm KIT SFQ chip 5 mm x 5 mm 22 11

12 Entwicklung von Multiplexern Serielle Auslese SFQ logic family power/pixel Standard RSFQ 2.5 µw LR-biasing, 1GHz 20 nw esfq, 1 GHz 2 nw - Schieberegister (wie CCD) - 20 Josephson Kontakte pro Detektor 23 Beispiel - 64-Pixel NbN SNSPD Array - Entwickelt am NASA Jet Propulsion Laboratory - Optimiert für Kopplung an Teleskope - Demonstriert 2013 für Lunar Laser Kommunikation 24 12

13 Kontakt CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik und Photovoltaik GmbH Konrad-Zuse-Straße 14 Dr. Thomas Ortlepp D Erfurt phone: Germany Kooperationen: Prof. Meyer, Dr. Stolz, T. May, IPHT Jena Prof. Siegel, KIT 25 13