Ziel der Entwicklung
Die verlässliche Detektion einzelner Photonen bietet eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten. Beispiele sind die abhörsichere optische Datenübertagung, Satellitenkommunikation, Quantencomputer und die Verbesserung von optische Bildgebungsverfahren (z.B. Fluoreszenzmikroskopie). Die hier verwendeten supraleitenden Einzelphotonendetektoren haben eine aktive Fläche von 5 µm x 5 µm. Daher muss der Ausgang der single mode Glasfaser (9 µm) sehr genau über dem Detektor platziert werden. Für diese Aufgabe wurde ein Silizium-Trägerwafer weiterentwickelt, der eine Beurteilung der Positionsgenauigkeit von Faser zu aktiver Fläche ermöglicht. Ausgehend von der ermittelten Position sollten mittels focused ion beam (FIB) optische Strukturen erzeugt werden, um mögliche Positionsungenauigkeiten auszugleichen sowie die Spotgeometrie positiv zu beeinflussen.
Vorteile und Lösungen
Die Herausforderung bei supraleitenden Einzelphotonendetektoren ist die Betriebstemperatur von 4,2 Kelvin (-269°C). Eine Positionierung von signalführender Glasfaser zu aktiver Fläche bei diesen tiefen Temperaturen ist sehr aufwändig und kostspielig. Der verfolgte Lösungsansatz führt die Positionierung von Glasfaser zu supraleitendem Detektor bei Raumtemperatur durch. Hierfür wird der supraleitende Detektor im Flip-Chip-Verfahren auf einen Silizium-Trägerwafer mit Aufnahme (geätztes Loch) für die Glasfaser gesetzt. Der Vorteil dieses Aufbaus ist die Erhaltung der bei Raumtemperatur erreichten Positioniergenauigkeit beim Einkühlen des Detektors. Im Projekt wurde die Positioniergenauigkeit bei Raumtemperatur weiter verbessert. Hierzu wurden auf dem Detektorchip Marken aufgebracht, die durch Löcher im Silizium-Trägerwafer beurteilt werden konnten. Dies ermöglicht eine direkte Kontrolle des durchgeführten Flip-Chip-Prozesses. Außerdem wurde die Ätzung des Lochs für die Glasfaser nicht durch die gesamte Chipdicke durchgeführt. Das ermöglicht die Bearbeitung des Lochbodens mittels focused-ion-beam (FIB) zur Formung einer optischen Linse. So kann zum einen, abhängig von der durch die Beurteilungslöcher bestimmten Flip-Chip-Position, der Lichtweg so beeinflusst werden, dass mehr Licht auf die aktive Fläche des Detektors trifft. Zum anderen ist eine Fokussierung des Lichts mittels Linsenstrukturen möglich. Beide Ansätze wurden mit optischen Simulationen bewertet. Die vorhandene FIB-Anlage wurde erweitert, sodass jede beliebige Struktur mit dem Ionenstrahl geschrieben werden kann. Zur Optimierung der Strukturen wurde ein großes technologisches Parameterfeld durchfahren. Zusätzliche Herausforderung war die Strukturierung in einem zirka 300 µm tiefen Loch.
Zielgruppe und Zielmarkt
Die durchgeführten Entwicklungen zielen auf Anwender und Gerätehersteller, bei denen supraleitende Einzelphotonendetektoren (SNSPD) zum Einsatz kommen. Solche Detektoren haben aufgrund der hohen Zählraten und geringen Totseiten für viele Anwendungen technische Vorteile. Dazu zählen die Fluoreszenzmikroskopie sowie verschiedene Anwendungen der aufkommenden Quantentechnologien (insbesondere Kryptographie und Computing). Ein Nachteil der Technologie ist der hohe Aufwand zur Kühlung unter die Sprungtemperatur der Supraleiter (~ 4K). An dieser Stelle liefern die Projektergebnisse jedoch Milderung. Die demonstrierte sehr kompakte und akkurate Faser-Chip-Kopplung ermöglicht, dass mehrere Detektoren in den baulich stark begrenzten Kühlraum eines Kryostaten platziert werden können. Wo bisher nur ein einzelner Detektor möglich war, können nun 4, 8 oder noch mehr Kanäle untergebracht werden. Die Kosten für das Kühlsystem bleiben dabei unverändert – jedoch können durch die Parallelisierung mehrere Aufgaben gleichzeitig und ein höherer Durchsatz erreicht werden. Die Kosten pro Messkanal sinken dementsprechend.
Die erreichten Ergebnisse und Demonstratoren wurden führenden deutschen Unternehmen der SNSPD-Chip- und Geräteentwicklung bereits während der Projektlaufzeit zur Verfügung gestellt. Ein Kooperationsprojekt zur Überführung der Entwicklungsarbeit in konkrete Anwendungen ist angedacht.
