Kalibrierung von Faser-gekoppelten Einzelphotonendetektoren

Im Rahmen der Aktivitäten in den Projekten qu-Candela und EPHQUAM wurde für die relative Kalibrierung der Quantenffizienz von Faser-gekoppelten Einzelphotonendetektoren (sog. Silizium-Avalanche-Photodioden, Si-APD) eine Methode aus der optischen Nachrichtentechnik implementiert [1]. Dazu wird die Strahlung einer Einzelphotonenquelle genutzt, die auf der Laser-induzierten Emission von Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (NV-Zentren) in nanokristallinem Diamant basiert. Die Diamanten sind auf einem strukturiertem Silizium-Substrat aufgebracht (Abbildung 1). Dadurch befinden sie sich in einer Ebene, sind aufgrund des strukturierten Substrats leicht wieder zu finden und haben hohe Zählraten, da die nanokristallinen Ausmaße der Diamantkristalle eine höhere Einfangeffizienz ermöglichen. Verschiedene Zentren wurden charakterisiert, die Zählraten lagen zwischen 8 · 10⁴ und 4,6 · 10⁵ s^-1 und die g²(τ = 0)-Werte zwischen 0,11 und 0,6. Eine typische Antikorrelationsfunktion (g² -) Funktion ist in Abbildung 2 dargestellt. Für die Kalibrierung wird die Emission in eine Faser eingekoppelt und über einen Fasersplitter an zwei Detektoren geschickt. Die Zählraten werden aufgenommen, danach werden die Fasern umgesteckt und die Zählraten wiederum detektiert. Auf diese Weise lässt sich bei bekannter Quanteneffizienz eines Detektors die Quanteneffizienz des zweiten Detektors sowie das Teilungsverhältnis des Fasersplitters ermitteln. Zur Zeit sind nur relative Kalibrierungen möglich, da die absolute Quanteneffizienz des Standarddetektors noch nicht bekannt ist; diese muss aus einer unabhängigen Messung bestimmt werden. Die derzeit erreichten Standardmessunsicherheiten betragen ca. 1 %, Hauptanteil ist die Reproduzierbarkeit des Prozesses des Faserumsteckens. Die Ergebnisse für 6 untersuchte NV-Zentren mit unterschiedlichen g²(τ = 0) -Werten sind in Abbildung 3 dargestellt. Die leicht unterschiedlichen Werte der relativen Quanteneffizienz sind voraussichtlich auf unterschiedliche spektrale Verteilung der Emission zurückzuführen.

Abbildung 1: Emission der Diamant-Nanokristallite auf einem Silizium-Substrat (Quantum Communication Victoria, www.qcv.au). Die Strukturierung des Wafers erlaubt ein schnelles und einfaches Wiederfinden der jeweiligen Zentren. Die Nummern geben bereits charakterisierte Zentren an unterschiedlicher Zählrate und g²(τ = 0) -Werten an.

Abbildung 2: g² -Funktion des Zentrums NV-060709-1 bei einer Anregung mit einem Laser bei 532 nm mit einer Leistung von ca. 300 µW, g²(τ = 0)  = 0,11.

Abbildung 3: Relative Quanteneffizienzen von insgesamt 6 untersuchten NV-Zentren mit unterschiedlichen g² (τ = 0 )-Werten.

Literatur:

[1]        H. Hofer, M. Lόpez, S. Kück, “Fiber based power measurements for the optical telecommunication in a wide spectral range”, 10th International Conference on New Development and Applications in Optical Radiometry (NEWRAD 2008), 13-16 October 2008, Daejeon, South Korea.