Neue Technologien für skalierbare Einzelphotonendetektoren

Supraleitende Einzelphotonendetektoren (SNSPDs) können extrem schwache Lichtsignale bis hin zu einzelnen Photonen über einen breiten Wellenlängenbereich vom sichtbaren bis zum mittleren Infrarot (VIS bis MIR) erfassen. Sie zeichnen sich durch hohe Detektionsgeschwindigkeiten, Quanteneffizienzen von häufig mehr als 90 Prozent und ein äußerst geringes Rauschen aus.

Diese Eigenschaften eröffnen neue Möglichkeiten für zahlreiche Anwendungen und können die Leistungsfähigkeit bestehender Systeme deutlich steigern. Dazu zählen insbesondere Quantentechnologien wie Quantencomputing, Quantensensorik und Quantenkommunikation, aber auch die klassische Kommunikationstechnik, Astronomie und Fernerkundung sowie die Biophotonik. Eine zentrale technologische Herausforderung besteht darin, die Zahl der Detektorpixel zu skalieren und damit vielkanalige Detektorsysteme zu ermöglichen.

Dieser Herausforderung widmet sich ein Bündnis aus Thüringer Unternehmen und Forschungseinrichtungen. Im Mittelpunkt stehen reproduzierbare, waferskalige Fertigungstechnologien für ultradünne, ungeordnet-supraleitende Niob-Titan-Nitrid-Schichten (NbTiN). Darüber hinaus werden Technologien für die mehrlagige Integration der SNSPDs mit supraleitenden und optischen Strukturelementen einschließlich Wellenleiterstrukturen aus Si/SiO oder Si/SiN sowie geeignete Nanostrukturierungsprozesse untersucht. Weitere Schwerpunkte sind die Optimierung der Schichtgrenzflächen sowie neue Konzepte für die Kopplung mit optischen Faserbündeln und deren kryogene Integration. Gemeinsam bilden diese Entwicklungen wichtige Voraussetzungen für vielkanalige Detektorinstrumente.

Das Leibniz-IPHT konzentriert sich dabei insbesondere auf die Erforschung der erforderlichen Fertigungs- und Integrationstechnologien. Die entwickelten Ansätze schaffen zugleich eine technologische Grundlage für photonische integrierte Schaltkreise (PICs), in denen supraleitende Schaltungsstrukturen und optische Komponenten auf einem Chip hybrid integriert werden. Diese Kombination soll neue Funktionalitäten integrierter photonischer Systeme ermöglichen.

Das Vorhaben wird vom Freistaat Thüringen unter der Nummer 2025 VFE 0095 gefördert und durch Mittel der Europäischen Union im Rahmen des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) kofinanziert.