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硅光子学与集成电子器件的接口用于9Ghz压缩光测量

发布:RuiChaoDong    |    2020-11-17 23:06    阅读:357
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硅光子技术正在成为发展量子技术的尖端芯片平台。它被用来实现通用可编程网络来处理芯片上产生的量子态,有数百个单独的组件,以及更具体的任务,如量子随机数生成和芯片到芯片的量子通信。然而,集成量子光子学的经典接口硬件仍在与限制器件可扩展性和性能的大足迹离散电子学一起实现;硅量子光子学尚未开发与单片互补金属氧化物半导体(CMOS)电子学的集成。 充分利用CMOS兼容性对于减少总器件占用具有特别重要的意义,高性能的经典控制和读出资源必须与支撑量子硬件一起扩展。总之,这使得小型量子器件的小型化和大规模制造-用于通信、传感和产生随机性-并保证了组装有用的量子计算机所需的精度和规模。

       同差探测器通过干扰两个平衡光电二极管检测的本振来测量微弱信号。它们通常用于光的敏感测量。应用领域包括相干Ising机器,双组合光谱,量子安全通信,量子态和过程层析成像,量子计算,随机数产生,量子隐形传态和超灵敏干涉测量,如引力波天文学。对于最近提出的性能低于Landauer极限的光学神经网络,也需要零差探测器。但在许多应用中,速度性能受到非单片电子电路的皮法拉电容和垂直照明光电二极管的最大速度的限制。特别是,检测器带宽可以定义连续可变(CV)量子计算机的时钟速率和CV量子通信的安全密钥交换速率。此外,高速同差探测器可以大大减少表征脉冲量子态所需的时间,或消除在预先准备状态时需要长延迟线,并可用于测量光腔的高频梳状压缩和连续波(CW)泵产生的宽带压缩。

       由于光电二极管固有区域的分布吸收,PIN光电二极管在传输时间滚转以上的频率上遭受过多的损耗。这种效应在垂直照明二极管中很明显,因为需要一个厚的本征区域来实现高的量子效率,导致长的传输时间和过量的损耗,随着频率超过100MHz(Si)和1GHz(GaAs)而增加)。由于波导耦合的Ge光电二极管是边缘耦合的,在不增加传输时间限制带宽的情况下,通过增加二极管长度可以实现高效率。高效率的Ge光电二极管已被证明具有超过70 GHz的传输时间限制带宽,因此在此频率范围内不受分布式吸收的有效损失。

       同差探测器的速度性能也受到跨阻放大器(TIAs)的限制,TIAs用于放大两个低噪声光电二极管的弱光电流减法,以测量包括量子签名在内的微弱信号。理想巴特沃斯响应跨阻放大器的3 dB带宽-使用具有增益的电压放大器-时间带宽积A0f0和并联反馈电阻RF。对于给定的放大器技术和增益RF,f3dB只能通过减小CTot来增加,CTot是光电二极管结电容、放大器输入电容、放大器输入和反馈回路的总寄生电容之和。原则上,CTot可以很低;集成光电二极管可以达到低到9 fF的电容而放大器的输入电容可达100 fF。然而,对于有限的射击噪声应用,集成光子学方法-这只被用来测量真空和激光-到目前为止还没有超过150MHz。它远低于自由空间光电二极管可实现的1 GHz带宽。这是因为TIA是用封装放大器和印刷电路板(PCBs)实现的。对于使用基于PCB的TIA的集成同差探测器,仅PCB电路的寄生电容就可以到~215 pF而封装运算放大器的输入电容通常为若干皮法拉。因此,CTot在这些情况下主要是寄生效应,否定了集成光电二极管的优势。此外,由于电路的频率相关噪声功率与C2Totf2成正比。这种杂散电容也强烈地限制了在高频下可以实现的射击噪声间隙。

       近日,来自英国布里斯托尔大学量子工程技术实验室的Joel F. Tasker等人通过将互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容的硅和硅上锗纳米光子与硅锗集成放大电子学相结合,减少了同差探测器的总电容,以提高量子光测量的速度性能。该探测器具有1.7 GHz的3 dB带宽,拍摄噪声限制在9 GHz,所需足迹最小为0.84mm2。他们表明,该探测器可以测量连续波激光器泵浦的宽带压缩光源从100 MHz到9 GHz的连续压缩光谱,并利用该探测器进行状态层析成像。这为连续可变量子光学提供了快速、多用途、同差探测器,为光子量子器件的全叠集成开辟了道路。相关工作发表在《Nature photonics》上。(郑江坡)

文章链接:https://doi.org/10.1038/s41566-020-00715-5

消息来源:两江科技评论

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