Im Überblick
Das Einzelphotonen-Detektionsmodul des Fraunhofer HHI ist eine effiziente, kompakte und kostengünstige Lösung, die speziell für die präzise Einzelphotonen-Detektion im optischen C-Band und O-Band entwickelt wurde. Es wurde entwickelt, um fortschrittliche Quantenkommunikationstechnologien mit modernster Detektionseffizienz und niedrigen Dunkelzählraten zu unterstützen.
Hintergrund
Mit dem Fortschritt der Quantentechnologien wird der Bedarf an präziser Einzelphotonen-Detektion in verschiedenen Anwendungen, von der sicheren Kommunikation bis zum Quantencomputing, immer wichtiger. Das Modul des Fraunhofer HHI erfüllt diese Anforderungen durch die Bereitstellung eines zuverlässigen und vielseitigen Detektionssystems, das für moderne Quantensysteme unerlässlich ist.
Beschreibung
Das Einzelphotonen-Detektionsmodul des Fraunhofer HHI wurde für die hochpräzise Detektion einzelner Photonen entwickelt, die für Quantenkommunikations- und -computeranwendungen entscheidend sind. Mit seinem kompakten und kosteneffizienten Design bietet das Modul eine außergewöhnliche Detektionsempfindlichkeit im optischen C-Band und O-Band. Es arbeitet im freilaufenden Modus und gewährleistet so eine kontinuierliche, zuverlässige Leistung. Die flexiblen Konfigurationsoptionen des Moduls ermöglichen die Integration als Einzeldetektor oder als OEM-Modul mit mehreren Detektoren, wodurch unterschiedliche Systemanforderungen unterstützt werden. Sein fasergekoppelter Eingang gewährleistet eine einfache Integration in bestehende optische Systeme und macht es zu einer idealen Wahl für modernste Anwendungen in der Quantentechnologie.
Spezifikationen
- Kompakte Grundfläche und wettbewerbsfähige Kosteneffizienz
- Erhältlich als Einzel-Detektor-Stand-alone-Modul oder als OEM-Modul mit bis zu vier synchronisierten Detektoren
- Einzelphotonen-Detektionsempfindlichkeit für das optische C-Band und O-Band
- Modernste Detektionseffizienz, Dunkelzählraten und Timing-Jitter
- Kontinuierlicher Betrieb im Freilaufmodus.
- Variable Totzeit zur Leistungsoptimierung
- Fasergekoppelter Eingang
- Hochgradig softwarekonfigurierbar
Vorteile
- Erhöhte Empfindlichkeit für die Erkennung einzelner Photonen
- Vielseitige Integration in verschiedene Quantentechnologien
- Optimiert für rauscharme und hochpräzise Anwendungen
- Robuste Leistung über einen weiten Bereich von Bedingungen
- Unterstützt die neuesten quantengestützten Anwendungen und Kommunikationsprotokolle
Performance Characteristics
Die elektrooptischen Spezifikationen des SPAD-Moduls lassen sich wie folgt zusammenfassen:
| Parameter | Parameter Value/Range | Note |
|---|---|---|
| Wavelengh range | 1000 nm to 1600 nm | typ. λ = 1550 nm |
| Efficiency | 10 - 25 % | @ λ = 1550 nm |
| Dark count rate | 10 %: 1.3 kHz (typ. 800 Hz) | - |
| 15 %: 2.7 kHz (typ. 2.5 kHz) | ||
| 20 %: 5.1 kHz (typ. 3 kHz) | ||
| 25 %: 10 kHz (typ. 5.1 kHz) | ||
| Timing jitter | ~200 ps @ 10 % | @ 25% efficiency |
| ~150 ps @ 15 % | ||
| ~120 ps @ 20 % | ||
| ~100 ps @ 25 % | ||
| Deadtime range | ~100 ns to 80 µs | in 100 ns steps |
| Optical coupling | SMF-28 optical single-mode fibre Pigtail L = 100 cm | - |
| Output signal format | 1.0 V low, 1.5 V high | into 50 Ω single ended (CML) |
| Output connector | SMA | - |
| Dimensions (W × H × L) | 140 mm * 60 mm (OEM Version) | - |
Graphical User Interface – SPAD Controller Tools
Die SPAD Controller Tools sind grafische Benutzeroberflächen zur Konfiguration und Überwachung von SPAD-Modulen. Sie bieten vollständigen Zugriff auf alle relevanten Modulparameter und zeigen diese in Echtzeit an. Dadurch können Benutzer die Betriebsbedingungen und etwaige Änderungen sofort beobachten. Jede Oberfläche ist klar strukturiert und deckt die Bereiche Detektoreinstellungen, Hochspannungsversorgung, Temperaturregelung (TEC) und Testsignalerzeugung ab. Alle Werte werden live angezeigt, um eine präzise und transparente Überwachung zu gewährleisten.
In der Basisansicht (Registerkarte oben links) bieten die Tools außerdem eine vereinfachte Übersicht über wichtige Parameter wie Detektionsrate, Vorspannung und Temperatur für mehrere angeschlossene Detektoren. Dies ermöglicht einen schnellen Vergleich und eine effiziente Übersicht in Multi-Detektor-Konfigurationen.
Anwendungen
- Quantenschlüsselverteilung (QKD)
- Quantenkommunikation und -computersysteme
- Quanten-Sensorik-Anwendungen
- Flugzeitmessung mit hohem Dynamikbereich (HDR) (OTDR, LIDAR)
- Messung der Fluoreszenzlebensdauer
- Messung von Singulett-Sauerstoff
- FLIM, FRET
- IC-Inspektion
Anwendungsbeispiele
Quantenschlüsselverteilung (QKD) und Quantennetzwerke
Quantenschlüsselverteilung (QKD) und Quantennetzwerke
Das Einzelphotonen-Detektionsmodul ermöglicht eine hochpräzise Photonendetektion in Quantenschlüsselverteilungssystemen (QKD), die über Glasfaser- und Freiraumkanäle betrieben werden. Seine niedrige Dunkelzählrate und sein Timing-Jitter von unter 170 ps gewährleisten eine stabile Schlüsselgenerierung. Das gilt selbst unter Bedingungen mit hohen Verlusten oder dynamischer Weiterleitung.
Das Modul wurde erfolgreich in QKD-Feldversuchen ohne Uhrenkanal eingesetzt. Dabei demonstrierte das System die autonome Synchronisation und nahtlose Fortsetzung des sicheren Schlüsselaustauschs nach einer Umleitung des optischen Pfads oder nach Verbindungsunterbrechungen von mehreren Minuten.
Aufgrund dieser Robustheit ist es ideal für zukünftige softwaredefinierte Quantennetzwerke und den skalierbaren Einsatz der Quantenschlüsselverteilung geeignet.
Quanten-Kommunikation und -Computing
Quanten-Kommunikation und -Computing
In Experimenten zur Quantenkommunikation und zum Quantencomputing bietet das SPAD-Modul eine jitterarme Koinzidenzdetektion und einen stabilen Freilaufbetrieb für Photonenkorrelation, Verschränkungsanalyse und Bell-Zustandsmessung.
In Mehrkanal-Setups ermöglicht das Einzelphotonen-Detektionsmodul skalierbare Koinzidenz-Setups für verschränkungsbasierte QKD und die Charakterisierung von Photonenquellen in Labor- und Feldumgebungen.
Optische Zeitbereichsreflektometrie (OTDR) und LiDAR
Optische Zeitbereichsreflektometrie (OTDR) und LiDAR
Für die Entfernungsmessung mittels Photonenzählung bietet das SPAD-Modul eine Zeitauflösung im Sub-Nanosekundenbereich und einen hohen Dynamikbereich.
Diese Eigenschaften ermöglichen eine präzise Laufzeitanalyse für LiDAR- und verteilte optische Sensoranwendungen, wie z. B. die Überwachung des Zustands von Bauwerken oder die Erkennung von Glasfaserfehlern.
Der temperaturstabilisierte Betrieb des Moduls gewährleistet wiederholbare Messungen auch unter wechselnden Umgebungsbedingungen.
Fluoreszenzlebensdauer und biomedizinische Bildgebung
Fluoreszenzlebensdauer und biomedizinische Bildgebung
Das SPAD-Modul ist vollständig kompatibel mit zeitkorrelierten Einzelphotonen-Zählsystemen (TCSPC), wie sie in der Fluoreszenzlebensdauer-Bildgebung (FLIM) und der Förster-Resonanzenergietransfer-Technik (FRET) zum Einsatz kommen.
Dank seiner einstellbaren Totzeit- und Schwellenparameter lassen sich die Zählstabilität optimieren und Nachimpulse minimieren. Somit ist eine zuverlässige Lebensdaueranalyse über einen breiten Spektralbereich möglich.
Mögliche Anwendungsbereiche sind die biomedizinische Diagnostik, die Detektion von Singulett-Sauerstoff und die Inspektion integrierter Schaltkreise (IC). Von Vorteil sind dabei die kompakte Bauform und die softwarekonfigurierbare Bedienung des Moduls.