Detecting Single Photons Using Capacitive Coupling of Single Quantum Dots

物理 光子 量子点 探测器 皮秒 电容耦合 光电子学 雪崩光电二极管 抖动 光学 电容 电压 电气工程 激光器 量子力学 电极 工程类
作者
Yang Zhang,Yang Wu,Xiaoxin Wang,Lei Ying,Rahul Kumar,Zongfu Yu,Eric R. Fossum,Jifeng Liu,G. J. Salamo,Shui-Qing Yu
出处
期刊:ACS Photonics [American Chemical Society]
卷期号:5 (5): 2008-2021 被引量:3
标识
DOI:10.1021/acsphotonics.7b01515
摘要

Capturing single photons through light–matter interactions is a fascinating and important topic for both fundamental research and practical applications. The light–matter interaction enables the transfer of the energy of a single photon (∼1 eV) to a bound electron, making it free to move either in the crystal lattice or in the vacuum. In conventional single photon detectors (e.g., avalanche photodiodes), this free electron triggers a carrier multiplication process which amplifies the ultraweak signal to a detectable level. Despite their popularity, the timing jitter of these conventional detectors is limited to tens of picoseconds, mainly attributed to a finite velocity of carriers drifting through the detectors. Here we propose a new type of single photon detector where a quantum dot, embedded in a single-electron transistor like device structure, traps a photogenerated charge and gives rise to a sizable voltage signal (∼7 mV per electron or hole by simulation) on a nearby sense probe through capacitive coupling (with a capacitance ∼ aF). Possible working modes of the proposed detector are theoretically examined. Owing to a small lateral dimension of the quantum dot, detailed analyses reveal that the intrinsic timing jitter of the proposed detector is in the femtosecond to subpicosecond range, and the intrinsic dark count rate is negligible up to moderately high temperatures. These figures of merit are orders of magnitude superior to those of the state-of-the-art single photon detectors work in the same spectral range, making the proposed detector promising for timing-sensitive and quantum information applications.
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