利用室温平衡的外差系统在中红外波长下进行阿托-瓦特级光检测

《Laser & Photonics Reviews》：Atto-Watt Photo-Detection at Mid-Infrared Wavelengths by a Room-Temperature Balanced Heterodyne Set-Up

平衡外差检测在中红外波段的室温实现及其应用。通过商用高检测度探测器组合单量子 cascade激光器与声光调制器或双QCL相位锁定系统，构建4.6微米BHD系统，灵敏度达attowatt级，噪声等效功率接近 shot噪声极限，为量子通信和成像提供新方案。

　　

摘要

平衡外差检测（BHD）是基于相干读出方案的可见光和近红外波段中用于量子通信和量子传感的关键技术。将BHD技术扩展到中红外波段（4–11 μm），由于散射减少且大气窗口透明，可以实现可靠的地球-卫星通信以及在高噪声环境下的单光子成像。目前，这些波段的量子应用受到缺乏高灵敏度、室温工作的光接收器的限制；此外，迄今为止报道的中红外单光子探测器（超导体、单电子晶体管或雪崩光电二极管）都需要在低温环境下工作，这限制了其实际应用。本文展示了一种在4.6 μm波长下工作的室温BHD系统，其灵敏度达到阿瓦级别，即每秒可检测到几十个光子。该系统通过选用具有最高探测效率的商用光电探测器，并利用两种外差装置实现：一种装置包含一个量子级联激光器（QCL）和一个声光调制器（AOM），另一种装置包含两个QCL，它们之间的相干性通过锁相环（PLL）来保证。通过提高本地振荡器（LO）的功率并确保信号与LO之间的高相位相干性，可以将系统的噪声等效功率（NEP）推向接近散粒噪声极限的水平，这一点通过单光子干涉测量得到了验证。这项工作不仅验证了检测超低强度信号的可行方法，而且还有潜力扩展到当前最先进的中红外技术所能覆盖的整个波长范围。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。