Аннотация результатов, полученных в 2016 году
В процессе выполнения плана работы по созданию интегрального однофотонного спектрометра для телекоммуникационной длины волны (WSPS) в 2016 году успешно были выполнены следующие виды как экспериментальных, так и теоретических работ: 1. Разработан дизайн волноводных структур с двумя дифракционными каплерами. Дизайн электронного шаблона, выполненный в среде PyCharm, позволил создавать gds-файлы для электронного литографа. Благодаря реализации изображения в программном коде, файл легко трансформируется и позволяет создавать матрицы устройств с варьируемыми параметрами. 2. Изготовлены волноводные структур с двумя дифракционными каплерами. На основе созданного электронного шаблона, были изготовлены матрицы структур. Изготовление волноводных структур производилось методами электронной литографии и плазмохимического травления. Коррекция дозы, выполненная в программе NanoMaker, позволила создавать устройства с геометрией, близкой к расчётной. 3. Создан экспериментальный стенд для измерения пропускания волноводов (коэффициентов передачи между оптическими портами) при комнатной температуре. Благодаря использованию пьезо-моторов и компьютерному контролю, собранный стенд позволяет производить прецизионное совмещение (20-30 нм) массива оптических волокон с дифракционными входами/выходами на чипе. 4. Измерен коэффициент передачи между оптическими портами тестовой структуры при комнатной температуре. Измерения матрицы устройств с варьируемыми проводились на созданном стенде и позволили измерить как эффективность каплинга, так и спектральную ширину дифракционной решётки. На основании измеренных данных выбран дифракционный каплер с требуемыми характеристиками для WSPS. 5. Рассчитаны параметры планарных дифракционных решеток на основе массива нановолноводов (AWG). Произведен аналитический расчёт параметров, обеспечивающих работу на требуемой длине волны и требуемой спектральной ширине оптических каналов. 6. Разработан дизайн планарных дифракционных решеток на основе массива оптических волноводов (AWG). Программный код в среде PyCharm позволил производить гибкую трансформацию размеров AWG и располагать в любом месте чипа. 7. Изготовлены планарные дифракционные решетки на основе массива оптических волноводов (AWG). Структуры изготавливалиcь методами электронно-лучевой литографии и плазмохимичесого травления с использованием позитивного резиста высокого разрешения, а также коррекции дозы. 8. Измерены спектральные характеристики планарных дифракционных решеток на основе массива оптических волноводов (AWG). Измеренные спектры демонстрируют восемь отдельных каналов с низкими перекрестными помехами и высокой эффективностью каплинга. 9. Исследована и продемонстрирована работа сверхпроводникового однофотонного детектора в качестве гетеродинного спектрометра телекоммуникационного диапазона длин волн. Все запланированные работы по плану были выполнены успешно, и перенос работ на следующий год не требуется.

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В рамках проекта мы разрабатываем новый тип спектрометра, способный разрешать длину волны одиночных фотонов. Спектрометр основан на интеграции на одном чипе планарных оптических волноводов из нитрида кремния со сверхпроводниковыми однофотонными детекторами из нитрида ниобия. Спектрометр представляет собой волноводную дифракционную решетку (AWG), распределяющую входной сигнал на n волноводов в зависимости от длины волны. Сигнал в каждом из волноводов регистрируется с помощью сверхпроводникового однофотонного детектора SSPD. Детекторы SSPD обладают очень низким уровнем темновых (ложных) срабатываний - менее одного отсчета в секунду, отсутствием ложных “послеимпульсов” (afterpulsing), пикосекундным временным разрешением момента регистрации фотона (timing jitter). SSPD, интегрированный с оптическим волноводом детектирует фотоны, волны, распространяющейся в волноводе с эффективностью более 90%. Технология изготовления SSPD совместима с технологией изготовления оптических волноводов из нитрида кремния и обеспечивает компактную реализацию на одном чипе масштабируемых решений, в отличие от однофотонных детекторов на основе лавинных диодов. В ряде задач квантовой оптики SSPD успешно конкурирует с однофотонными лавинными фотодиодами, несмотря на необходимость использования криогенного охлаждения. А в некоторых случаях SSPD является единственным приемлемым решением, особенно на длинах волн более 1 мкм, где используются однофотонные лавинные диоды на основе GaAs. В 2017 году мы разработали дизайн, изготовили и измерили характеристики AWG-спектрометра, интегрированного с SSPD. Было разработано два типа спектрометров на диапазоны длин волн около 738 нм и 1550 нм и имеющих по 8 каналов шириной в несколько нанометров. Совместно с коллегами из университета Мюнстера (Германия) мы продемонстрировали применение лабораторного прототипа такого спектрометра для построения изображения со спектральным разрешением кремниевого центра замещения в алмазных нанокластерах. Полностью интегрированная гибридная микросхема, объединяющая сверхпроводниковые детекторы и планарные оптические волноводы, позволила одновременно получить пространственную картину для спектра излучения и времени жизни возбужденных центров окраски. Продемонстрированные результаты имеют потенциал для создания практических спектрометров с однофотонным разрешением. (опубликовано в Optica 4, 2017) Также нами был предложен метод гетеродинного детектирования с помощью интегрированных с планарными волноводами детекторами SSPD. Предложенная техника основана на смешении оптического гетеродина и сигнала в одном волноводе. Обычно при смешении получается сигнал на разностной частоте (называемой "промежуточной"), измеряемый анализатором спектра или оптическим (неоднофотонным) детектором. При уменьшении мощности сигнала до уровня одиночных фотонов смешение приводит к модуляции потока фотонов, а частота модуляции соответствует промежуточной частоте. На предыдущем этапе мы продемонстрировали, что с помощью обычного (не интегрированного с волноводом) SSPD, освещаемого через оптоволокно, можно зарегистрировать наличие модуляции потока фотонов. На этом этапе мы изготовили SSPD, интегрированные с планарными оптическими волноводами, также продемонстрировали наличие модуляции при регистрации фотонов с разрешением по времени, и показали возможность достижения чувствительности на грани квантового предела. (опубликовано в Scientific Reports 7, 2017) В 2017 году были выполнены следующие работы: - Мы изготовили оптические микросхемы, содержащие сверхпроводниковые однофотонные детекторы SSPD из пленки NbN толщиной 4-6 нм, интегрированные с планарными оптическими волноводами из нитрида кремния. - На изготовленных тестовых структурах были измерены основные характеристики: оптическое пропускание волноводов, потери в оптических портах ввода-вывода, измерены характеристики детекторов (критическая температура, критический ток, эффективность детектирования, скорость темнового счета). - На изготовленном прототипе оптического спектрометра на чипе было продемонстрировано построение изображения со спектральным разрешением кремниевого центра окраски в алмазном нанокластере. - Мы продемонстрировали гетеродинное детектирование слабых (на уровне одиночных фотонов) сигналов с помощью SSPD на волноводе, и показали возможность достижения квантового предела чувствительности. Все запланированные на 2017 год работы выполнены. Результаты опубликованы в высокорейтинговых международных журналах (Scientific Reports, Optica), представлены на российских и международных конференциях (4th International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures "Saint Petersburg OPEN 2017", Санкт-Петербург, Россия; International Symposium "Nanophysics and Nanoelectronics", Нижний Новгород, Россия; International conference on superconductive electronics, Сорренто, Италия). Результаты проекта упоминались в средствах массовой информации: http://nsn.fm/hots/rossiyskie-uchenye-razrabotali-kompaktnyy-detektor-fotonov.html https://riaami.ru/2017/10/v-rossii-izobreli-detektor-fotonov/ https://www.gazeta.ru/science/news/2017/10/13/n_10689014.shtml

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В 2016-2017 году была продемонстрирована принципиальная возможность реализации спектрометра на основе массива планарных дифракционных решеток (AWG) и сверхпроводниковых детекторов. В этом году проекта выполнены работы по улучшению характеристик спектрометра и доведению его до уровня лабораторного прототипа. В частности, это предусматривает отработку технологии изготовления оптической части спектрометра с заданными спектральными характеристиками, реализацию ряда технических решений, направленных на повышение надежности и технологичности спектрометра, в частности: разработку метода механической юстировки подводящего оптоволокна и монтажа его на оптической микросхеме, обеспечивающего надежное охлаждение до температуры жидкого гелия и устойчивость к термоциклированию. Кроме того, была разработана многоканальная высокочастотная копланарная линия, а также многоканальный блок электроники. Еще одно важное направление работы на 2018 год - разработка метода мультиплексирования для однофотонных детекторов SSPD. Это является ключевым для дальнейшего увеличения числа каналов детекторов на интегрально-оптическом чипе. Все эти работы направлены на коммерциализацию результатов проекта и использовании однофотонных спектрометров в реальных приложениях, таких как флюоресцентный резонансный перенос энергии (FRET) или флуоресцентной корреляционной спектроскопии (FLIM), которые являются мощными инструментами для изучения живых систем, позволяя наблюдать за молекулярными соединениями и внутриклеточной активностью, изображения которых получаются с большой пространственной и временной точностью. Сбор данных в этих приложениях требует обнаружения слабых оптических сигналов, вплоть до уровня одиночных фотонов, поэтому эффективные низкошумящие однофотонные спектрометры являются одним из ключевых элементов данных приложений.