Development and implementation of measurement principles and devices from single-photon applications to telecom
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2025-03-21
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2025
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
78 + app. 40
Series
Aalto University publication series Doctoral Theses, 40/2025
Abstract
This thesis addresses the challenge of traceably measuring properties of low-photon flux sources and detectors in optical radiometry, a critical task for low-photon and single-photon applications. The difficulty lies in the reliable detection and characterisation of low-photon fluxes at power levels, where conventional methods face detection limits. To solve this, the thesis presents a demonstration of a predictable single-photon source based on an optically excited silicon-vacancy centre in a nanodiamond. Operating at an excitation rate of 70 MHz, this source emits photon flux at 685 nm, sufficient to be measured by a low-optical-flux detector. By directly measuring the photon flux, the efficiency of the single-photon source is determined, enabling it to serve as an absolute reference for calibration. The original contribution of this work lies in the predictable control of the photon flux through the adjustment of the excitation laser’s repetition rate, achieving predictable photon flux levels below the detection limit of conventional low-optical-flux detectors. This method does not require prior knowledge of the source efficiency, as it can be calibrated using the low-optical-flux detector, offering a novel approach for the characterisation of detectors at the few-photon level. The thesis also introduces innovative designs for transmission trap detectors. Unlike conventional trap detectors, where photodiodes are wired in parallel, the photodiodes in these designs are independently monitored, providing additional data on incident light and detector linearity. Firstly, the collinear, polarisation-insensitive transmission trap detector, which uses eight silicon photodiodes, has transmittance lower than 10-4 and uniform spectral responsivity within 0.1% across a 4 mm × 4 mm area, representing a significant contribution in the field of trap detector research. Furthermore, a polarisation-insensitive, two-element transmission trap detector consisting of InGaAs photodiodes in a non-collinear configuration has a low spatial non-uniformity of less than 0.5% across its active area of over 9 mm in diameter. In contrast to conventional designs, the transmittance of this detector is adjusted not by the number of photodiodes but by the incidence angle of reflection from the photodiodes. Finally, the thesis introduces a hybrid two-element transmission trap detector combining Si and InGaAs photodiodes, which offers broad wavelength coverage from 400 nm to 1600 nm for telecommunications applications.Tämä väitöskirja käsittelee pienen fotonivuon lähteiden ja ilmaisimien ominaisuuksien jäljitettävää mittausta optisessa radiometriassa, mikä on ratkaisevan tärkeää vähäfotonisissa ja yksittäisfotonitason sovelluksissa. Haasteena on luotettava havaitseminen ja karakterisointi fotonivuotasoilla, joilla perinteiset menetelmät saavuttavat havaintorajansa. Tämän ongelman ratkaisemiseksi väitöskirjassa esitellään ennustettavissa oleva yksittäisfotonilähde, joka perustuu valolla viritettyyn piivakanssiin nanotimantissa. Lähde toimii 70 MHz:n viritystaajuudella ja emittoi 685 nm:n aallonpituista fotonivuota, jota voidaan mitata vähäisen optisen vuon ilmaisimella. Mittaamalla fotonivuo suoraan voidaan määrittää yksittäisfotonilähteen hyötysuhde, minkä ansiosta lähde voi toimia kalibroinnin absoluuttisena vertailupisteenä. Tutkimuksen alkuperäinen panos on fotonivuon ennustettava hallinta säätämällä pulssitoimisen virityslaserin toistotaajuutta, jolloin saavutetaan tarkasti määriteltyjä fotonivuotasoja, jotka alittavat perinteisten vähäisen optisen vuon ilmaisimien havaintorajan. Menetelmä ei edellytä ennalta tietoa lähteen hyötysuhteesta, koska se voidaan kalibroida vähäisen optisen vuon ilmaisimen avulla. Näin saadaan uusi lähestymistapa muutaman fotonin tasolla toimivien ilmaisimien karakterisointiin. Lisäksi väitöskirjassa esitellään uusia ratkaisuja läpäisysiilodetektoreihin (transmission trap detectors). Toisin kuin perinteisissä siilodetektoreissa, joissa valodiodit kytketään rinnan, näissä uusissa malleissa valodiodeja seurataan itsenäisesti, mikä tarjoaa lisätietoa saapuvasta valosta sekä ilmaisimen lineaarisuudesta. Ensimmäisessä ratkaisussa, kollineaarisessa ja polarisaatiosta riippumattomassa läpäisysiilodetektorissa, käytetään kahdeksaa piivalodiodia. Sen transmittanssi on alle 10-4 ja spektrinen herkkyys pysyy yhdenmukaisena 0,1% tarkkuudella 4 mm × 4 mm alueella, mikä edustaa merkittävää edistystä siilodetektoritekniikan tutkimuksessa. Lisäksi polarisaatiosta riippumaton, kahdesta InGaAs-valodiodista koostuva läpäisysiilodetektori epäkollineaarisessa konfiguraatiossa saavuttaa alle 0,5% suuruisen spatiaalisen tasaisuuden halkaisijaltaan yli 9 mm:n halkaisijaltaan olevalla aktiivisella alueellaan. Toisin kuin perinteisissä malleissa, tämän detektorin transmittanssia säädetään valodiodien lukumäärän sijasta muuttamalla fotonien tulokulmaa valodiodien heijastuspinnalla. Lopuksi väitöskirja esittelee hybridimallisen, kahdesta elementistä koostuvan läpäisysiilodetektorin, jossa yhdistyvät pii- ja InGaAs-valodiodit. Tämä ratkaisu kattaa laajan aallonpituusalueen 400 nm:stä 1600 nm:iin ja soveltuu erinomaisesti esimerkiksi suojaamaan uusia kvanttitietoliikennesovelluksia.Description
Supervising professor
Ikonen, Erkki, Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, FinlandKeywords
radiometry, single photon source, trap detector, radiometria, yksittäisfotonilähde, siilodetektori
Other note
Parts
-
[Publication 1]: A. Vaigu, T. Kübarsepp, F. Manoocheri, M. Merimaa and E. Ikonen. Compact two-element transmission trap detector for 1550 nm wavelength. Measurement Science and Technology, 26, 055901, March 2015.
DOI: 10.1088/0957-0233/26/5/055901 View at publisher
-
[Publication 2]: A. Vaigu, T. Kübarsepp, and E. Ikonen. Eight-element polarisation independent transmission trap detector with high attenuation. Metrologia, 62, 015008, January 2025.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202502122422DOI: 10.1088/1681-7575/ada7fd View at publisher
-
[Publication 3]: A. Vaigu, G. Porrovecchio, X.-L. Chu, S. Lindner, M. Smid, A. Manninen, C. Becher, V. Sandoghdar, S. Götzinger and E. Ikonen. Experimental demonstration of a predictable single photon source with variable photon flux. Metrologia, 54, 218, March 2017. Erratum: Metrologia, 54, 417, May 2017.
DOI: 10.1088/1681-7575/aa5ba2 View at publisher
-
[Publication 4]: A. Vaigu, T. Kübarsepp, M. Rammo and E. Ikonen. Hybrid trap detector sensitive at visible and telecom wavelengths. Journal of Physics: Conference Series, 2864, 012014, October 2024.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202411217424DOI: 10.1088/1742-6596/2864/1/012014 View at publisher