In this thesis a near-infrared laser scanning confocal microscope (NIR-LSCM) is built to operate with optimal performance at 1550nm in combination with simultaneous LED light imaging at 970nm. For detection, a camera equipped with a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) sensor and a superconducting nanowire single photon detector (SNSPD) are used for the LED part and the LSCM part, respectively. By using an SNSPD developed for operation in the NIR with a timing jitter of 19ps and a quantum efficiency (QE) of 85$\%$ instead of, for example, a photo-multiplier tube (PMT) or a single photon avalanche photo diode (SPAD), it has been demonstrated that limitations of existing systems can be reduced.  This thesis also demonstrates that it is possible to build a LSCM with commercially available optical components. It is also proved how important it is to consider the features of each optical component chosen as well as how all components work together as a system. Especially how important it is to consider lens coatings and splitting ratios for beamsplitters to realize a system with optimal performance for operation in the NIR. Thorough research in combination with a trial-and-error process was used to arrive at the final NIR-LSCM system setup presented in this thesis. As a final note, this thesis sheds light on some possible NIR-probes which are suitable for operation in combination with our system. / I detta projekt byggs ett nära-infrarött konfokalt laserskanningsmikroskop (NIR-LSCM) med optimal prestanda för våglängder kring 1550nm i kombination med samtidig LED-ljusavbildning vid 970nm. För detektering används en kamera utrustad med en komplementär metalloxidhalvledarsensor (CMOS) för LED-delen och en supraledande nanotrådsdetektor för detektion av enstaka fotoner (SNSPD) för LSCM-delen. Genom att använda en SNSPD optimerad för NIR med 19ps timing jitter och 85$\%$ kvanteffektivitet (QE) istället för exempelvis ett fotomultiplikatorrör (PMT) eller en enkelfoton lavinfotodiod (SPAD) har det bevisats att begränsningar av befintliga system kan reduceras. Detta projekt visar också att det är möjligt att bygga ett LSCM med kommersiellt tillgängliga optiska komponenter. Det har också bevisats hur viktigt det är att beakta egenskaperna hos varje vald optisk komponent samt hur alla komponenter fungerar tillsammans som ett system. Speciell fokus har lagts på hur viktigt det är att ta hänsyn till linsbeläggningar och delningsförhållanden för stråldelare för att realisera ett system med optimal prestanda för drift i NIR. Sammanfattningsvis användes grundliga förstudier av optiska komponenter och existerande NIR-system i kombination med en trial-and-error-process för att komma fram till den slutliga NIR-LSCM-systemuppsättningen som presenteras i detta projekt. Som en sista notering belyser detta projekt några möjliga NIR-prober som är lämpliga för drift i kombination med vårt system.

In this thesis, I demonstrate a single­photon Light Detection And Ranging, (LiDAR)system operating at 1550 nm capable of reconstructing 3D environments live withmm resolution at a rate of 400 points per second using eye­safe laser pulses. Thesystem was built using off­-the-­shelf optical components and analysis was performedusing open-­source software. I utilise a single superconducting nanowire single photondetector (SNSPD) with 19 ps time jitter and 85% detection efficiency to achieve a 4 psdepth resolution in live measurements. I also show that by performing slightly moretime costly post analysis of the data it is possible to increase the details and smoothnessof the images. Furthermore, I show that the same LiDAR system and much of the algorithms usedfor 3D LiDAR can be used to perform Optical Time Domain reflectrometry (OTDR)measurements. I demonstrate that the system can identify interfaces between differentrefractive mediums such as fibre to fibre or fibre to air couplings with a depth resolutionof 9 mm along a single line. Using these reflections, I also show that the systemcan identify flaws in optical fibres as well as measure certain characteristics suchas absorption coefficient due to Rayleigh scattering or thermal expansion. Lastly, Idemonstrate that the same OTDR principles used in fibres can be applied to free­s-paceoptical setups and that the system can identify specific optical elements as well asmeasure the quality of the alignment of an optical system. / I detta projekt demonstrerar jag ett enstaka foton Light Detection And Ranging,(LiDAR) system som använder ljus med 1550 nm våglängd som är ofarliga för ögon.Systemet kan återskapa 3D miljöer i realtid med 400 punkter per sekund med mmprecision. Systemet är byggt med kommersiellt tillgängliga komponenter och all dataanalys utfördes med open­source mjukvaran ETA. Jag använder en superconductingnanowire single photon detector, (SNSPD) med 19 ps timing jitter och 85 % effektivitetför att uppnå en precision på 4 ps i mätningarna. Jag visar också att genom utföramer tidskrävande post­analys av datan så är det möjligt att öka upplösningen ochjämnheten i bilderna. Utöver detta visar jag att samma LiDAR system och algoritmer kan användas för attutföra Optical Time Domain reflectrometry, (OTDR) mätningar. Jag visar att systemetkan urskilja olika reflektioner från fiber till fiber och fiber till luft kopplingar. Med hjälpav dessa reflektioner visar jag också att det är möjligt att identifiera brister i optiskafiber samt mäta olika egenskaper av fibern som absorbtions koeffcient eller termiskkontraktion. Slutligen visar jag att samma principer av OTDR som används i fiber kantillämpas till free­-space optiska system och att det är möjligt att identifera olika optiskaelement samt bedömma linjeringen av det optiska systemet.

I den här rapporten undersöktes möjligheten att mäta vattenvågor med LIDAR (LIght Detection And Ranging), där en supraledande nanotråds-enkelfoton-detektor (SNSPD) användes som detektor. För att mäta vågor i labbmiljö konstruerades en våg-maskin, som kan skapa vågor av olika storlek. Olika sätt att förbättra detektion av reflekterade strålen undersöktes, dels med linser, dels med matta objekt för att simulera smuts eller alger. För att placera linserna korrekt simulerades strålgången, och olika placeringar undersöktes. En konvex och en konkav lins testades, där det framgick att den konvexa linsen kan mäta brantare vågor, och den konkava fungerar bättre på större avstånd. Linser fungerar bra när vågornas lutning är liten, men för branta vågor krävs en matt förorening på vattenytan för detektion.

This thesis investigates the security of optical fiber communication and demonstrates the feasibility of eavesdropping using different tapping methods and superconducting nanowire single-photon detectors (SNSPDs). Methods for surveillance against fiber intrusion are also investigated. The setups were built from mainly commercially available components and a 3D-printed sculpture and data analysis was done using open-source software. By the use of a clip-on coupler, classical systems were tapped. Transmission loss and tapping efficiency was measured to 42% and 1.5% respectively. Continuous system monitoring for tap detection using an SNSPD was performed showing that photon backscattering increased by a factor of 6 when the tap was applied. A qualitative investigation on tapping light via fiber bending was performed with signal loss/coupling efficiency registered with regards to bending diameter. Loss in a light conducting fiber and detection events in the tapping fiber increased with decreasing bend diameter. It is also shown that keeping a constant bend diameter while increasing the number of turns of the tapping fiber can increase amount of tapped light while keeping signal loss constant. Lastly, optical routers were tapped, the tapped light was analysed through a spectrum analyser yielding the lights wavelength and signal-to-noise ratio. The tapped light was then connected to a SNSPD and photon detection events was registered. / Denna avhandling undersöker säkerheten för optisk fiberkommunikation inom telekomområdet och genomförbarheten av avlyssing med olika avlyssningsmetoder samt superconducting nanowire single-photon detectors (SNSPDer). Även metoder för att övervaka mot avlyssing undeersöks. Utrustningarna byggdes med kommersiellt tillgängliga komponenter och en 3D-utskriven skulptur och dataanalysen utfördes med hjälp av öppen källkodsprogramvara. Genom användning av en Clip-On-Coupler avlyssnades klassiska system. Överföringsförlusten och avlyssningseffektiviteten mättes till 42% respektive 1,5%. Kontinuerlig systemövervakning för att upptäcka avlyssning med hjälp av en SNSPD utfördes och visade att antalet bakreflekterade fotoner ökade med en faktor på 6 när avlyssningen applicerades. En kvalitativ undersökning av att avlyssna ljus genom att böja fiber utfördes, där signalförlust och kopplingseffektivitet registrerades med avseende på böjningsdiameter. Förlusten i en ljusledande fiber och fotonförekomst i avlyssningsfibern ökade med minskande böjningsdiameter. Det visas också att genom att behålla en konstant böjningsdiameter samtidigt som antalet varv på avlyssningsfibern ökas kan mängden avlyssnat ljus öka samtidigt som signalförlusten hålls konstant. Slutligen avlyssnades optiska routrar, det avlyssnade ljuset analyserades med hjälp av en spektrumanalysator som utvann ljusets våglängd och signal-brusförhållande. Det avlyssnade ljuset kopplades sedan till en SNSPD och fotonförekomst registrerades.

abstract: Measurements of the response of superconducting nanowire single photon detector (SNSPD) devices to changes in various forms of input power can be used for characterization of the devices and for probing device-level physics. Two niobium nitride (NbN) superconducting nanowires developed for use as SNSPD devices are embedded as the inductive (L) component in resonant inductor/capacitor (LC) circuits coupled to a microwave transmission line. The capacitors are low loss commercial chip capacitors which limit the internal quality factor of the resonators to approximately $Qi = 170$. The resonator quality factor, approximately $Qr = 23$, is dominated by the coupling to the feedline and limits the detection bandwidth to on the order of 1MHz. In our experiments with this first generation device, we measure the response of the SNSPD devices to changes in thermal and optical power in both the time domain and the frequency domain. Additionally, we explore the non-linear response of the devices to an applied bias current. For these nanowires, we find that the band-gap energy is $\Delta_0 \approx 1.1$meV and that the density of states at the Fermi energy is $N_0 \sim 10^{10}$/eV/$\mu$m$^3$. We present the results of experimentation with a superconducting nanowire that can be operated in two detection modes: i) as a kinetic inductance detector (KID) or ii) as a single photon detector (SPD). When operated as a KID mode in linear mode, the detectors are AC-biased with tones at their resonant frequencies of 45.85 and 91.81MHz. When operated as an SPD in Geiger mode, the resonators are DC biased through cryogenic bias tees and each photon produces a sharp voltage step followed by a ringdown signal at the resonant frequency of the detector. We show that a high AC bias in KID mode is inferior for photon counting experiments compared to operation in a DC-biased SPD mode due to the small fraction of time spent near the critical current with an AC bias. We find a photon count rate of $\Gamma_{KID} = 150~$photons/s/mA in a critically biased KID mode and a photon count rate of $\Gamma_{SPD} = 10^6~$photons/s/mA in SPD mode. This dissertation additionally presents simulations of a DC-biased, frequency-multiplexed readout of SNSPD devices in Advanced Design System (ADS), LTspice, and Sonnet. A multiplexing factor of 100 is achievable with a total count rate of $>5$MHz. This readout could enable a 10000-pixel array for astronomy or quantum communications. Finally, we present a prototype array design based on lumped element components. An early implementation of the array is presented with 16 pixels in the frequency range of 74.9 to 161MHz. We find good agreement between simulation and experimental data in both the time domain and the frequency domain and present modifications for future versions of the array. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Physics 2018

Kvantsammanflätning har varit ett populärt ämne bland fysiker i snart 100 år då det tydligt belyser hur annorlunda kvantmekanikens värld är jämfört med den klassiska verklighet vi lever i. Med tiden har kvantsammanflätning blivit mer och mer välförstått och teknologier ämnade att utnyttja det har de senaste årtionden kommit allt närmare till industriell använding. Kvantdatorer är fortfarande i forskningsstadiet men idag excisterar det en kvantdator som kan lösa vissa problem betydligt mycket snabbare än en klassisk dator. På grund av algorithmer som Shors faktoriseringsalgoritm och Grovers sökalgoritm så riskerar dagens krypteringsprotokoll för kommunikation att bli otillräckliga. Som svar på detta har en fysikalisk icke-hackbar krypterings metodik tagits fram i form av QKD. Det baseras på att generara krypteringsnycklar från slumptal och att dessa distribueras tack vare kvantsammanflätning. För att lyckas med detta så krävs generering av sammanflätade kvanttillstånd, kvantbitar, samt singel-fotonsdetektorer. I den här masteruppsatsen har en kvantprick karaktäriserats och används för att generera sammanflätade kvantbitar i QNP-gruppens lab på KTH samt för att skicka enstaka fotoner via Stockholms fibernät till Ericsson i Kista där de detekteras av singel foton detectorer. Multifoton sannolikheten har uppmäts till 0.049 för exciton fotoner samt 0.169 för biexciton fotoner i labbet medan ett värde på 0.176 har uppmäts för exciton fotoner detekterade hos Ericsson, vilket är betydligt lägre än singel emission gränsen 0.5 (dvs foton källan sänder ut singel fotoner). Synkronisering av data är avgörande för att få QKD att fungera varpå en post process-tidssynkroniserings metod baserad på biexciton-exciton kaskad-sönderfall har implementerats i lab. / Quantum entanglement has been a popular topic amongst physicists for almost 100 years as it clearly illuminates the extreme difference between the quantum mechanical world and our classical reality. Over time, the quantum physical property of entanglement became more and more well understood and technologies utilizing entanglement are coming closer to reach industry. Quantum computers are still in the research stage but there already exists a quantum computer capable of solving tailored problems significantly faster than a classical computer. DuetoalgorithmslikeShor’sfactorizationalgorithmandGrover’ssearchalgorithmthecurrentcryptographyschemes used to ensure secure communication risk rendering obsolete. A response to this was the invention of the theoretically un­hackable Quantum key Distribution (QKD) scheme, based on generating and distributing random cryptography keys by using quantum entanglement. To achieve this, the generation of entangled photons, or qubits, as well as detection of single photons is required. In this thesis a QuantumDot (QD) is characterized and used to generate quantum entangled states in the Quantum Nano Photonics (QNP)­ group lab at KTH as well as sending single photons via the metropolitan fiber network in Stockholm to Ericsson in Kista, where they are detected using single photon detectors. A multi­photon emission probability of 0.049 was measured for the exciton emission and 0.169 for the biexciton emission in the KTH lab as well as a probability of 0.176 was measured for the exciton photons sent to Kista which is significantly lower than the single emitter limit of 0.5 (i.e.the source is emitting pure single photons). Synchronization of data is of high importance in order to implement a working QKD scheme, therefore a post process temporal synchronization method based on the biexciton ­exciton cascaded decay is implemented in the lab.

A superconducting nanowire single-photon detector (SNSPD) is an emerging, and today commercially available technology, for photon-counting and quantum cryptography. Yet, the photon detection event is not fully understood and current modeling efforts require substantial computational resources which motivates studies of simpler models.  This thesis introduces a model for vortex dynamics in thin-layered superconductors, such as SNSPDs, using a simplified approach, which leads to a 2D Coulomb gas model where the vortices are modeled as electrostatic charges. The model is carefully constructed from the method of images to describe a wire with open boundary conditions and an applied supercurrent. Subsequently, equilibrium and non-equilibrium properties are sampled with the Metropolis-Hastings algorithm and further analyzed and discussed. The suggested model is shown to be effective and successfully reproduces expected SNSPD behavior; most importantly critical behavior and voltage pulses which are directly measured during detection events. In conclusion, a 2D Coulomb gas model can be a preferred alternative for modeling vortex dynamics in SNSPDs at a small computational cost, motivating further development and studies. / Supraledande nanotråd-enfotondetektorer (SNSPD:er) är en framväxande och idag kommersiellt tillgänglig teknologi som används för räknande av fotoner samt inom kvantkryptografi. Ändå är fotondetektionshändelsen inte helt förstådd och de nuvarande modelleringar kräver substantiell datorkraft vilket motiverar studier av enklare modeller. Det här examensarbetet introducerar en model för vortexdynamik i tunnskiktade supraledare såsom SNSPD:er genom ett förenklat tillvägagångssätt som leder till en 2D Coulombgas-modell där ett vortex modelleras som en elektrisk laddning. Modellen är noggrant konstruerad med öppna randvillkor och den så kallade frysta spegelbildsmetoden samt en pålagd superström. Då samlas mätvärden in på jämvikts- samt icke-jämviktsegenskaper hos systemet som vidare analyseras, jämförs och diskuteras. Den föreslagna modellen visas vara effektiv och reproducerar framgångsrikt förväntat beteende hos SNSPD:er; framför allt kritiskt beteende och spänningstoppar som direkt uppmäts i en fysisk detektionshändelse. Sammanfattningsvis, kan en 2D Coulombgas-modell vara ett föredraget alternativ för att modellera vortexdynamik hos SNSPD:er för en liten beräkningskostnad, vilket motiverar fler studier av detta.

Superconducting Nanowire Single Photon Detectors (SNSPDs) are a promising technology for detecting single photon emissions with high efficiency and low noise. This detector class has numerous applications in quantum optics, communication, and sensing. One typical design for these devices is the hairpin structure, in which a superconducting nanowire is patterned into a meandering shape. The combination of academic research and interest from the industry is boosting the development of hairpin SNSPD devices to achieve high detection efficiency while maintaining fast response time and low jitter, requiring optimization of the device geometry, materials properties, and sophisticated readout electronics. This thesis qualitatively enquires about different device geometries, varying turn designs and features. Moreover, proposing a promising experimental setup with the potential of being scaled up to simultaneously test numerous devices with a varying magnetic field, driving the hairpin SNSPDs to their detection limit, and enabling further quantitative studies to deepen the understanding of the underlying mechanisms currently hindering the SNSPDs. Analyzing the acquired data draws results regarding the critical current and dark counts trends. Furthermore, at low magnetic field strength, the enquired devices are found to have their critical current enhanced. Moreover, comparisons are drawn among similar design structures. Furthermore, a discussion on manufacturing defects detrimental to the SNSPD performance is initiated. Finally, further studies on this topic adopting the presented method are encouraged to acquire additional quantitative results to be compared with theoretical models describing the thin superconducting structures. / Superconducting Nanowire Single Photon Detectors (SNSPD) är en lovande teknik för att detektera utsläpp av enstaka fotoner med hög effektivitet och lågt brus. Denna detektorkategori har många tillämpningar inom kvantoptik, kommunikation och avkänning. En typisk konstruktion för dessa anordningar är hairpin-strukturen, där en supraledande nanotråd är mönstrad i en slingrande form. Kombinationen av akademisk forskning och intresse från industrin ökar utvecklingen av hairpin-SNSPD-enheter för att uppnå hög detektionseffektivitet med bibehållen snabb responstid och låg jitter, vilket kräver optimering av enhetens geometri, materialegenskaper och sofistikerad avläsningselektronik. I denna avhandling undersöks kvalitativt olika anordningsgeometrier, varierande vridningsdesign och funktioner. Dessutom föreslås en lovande experimentell uppställning med potential att skalas upp för att samtidigt testa många anordningar med ett varierande magnetfält, vilket driver hairpin-SNSPD:erna till sin detektionsgräns och möjliggör ytterligare kvantitativa studier för att fördjupa förståelsen av de underliggande mekanismer som för närvarande hindrar SNSPD:erna. Analysen av de insamlade uppgifterna ger resultat när det gäller den kritiska strömmen och trenderna för mörkertalet. Dessutom visar sig de undersökta enheterna ha en ökad kritisk strömstyrka vid låg magnetfältsstyrka. Dessutom görs jämförelser mellan liknande konstruktionsstrukturer. Dessutom inleds en diskussion om tillverkningsfel som är skadliga för SNSPD:s prestanda. Slutligen uppmuntras ytterligare studier i detta ämne med den presenterade metoden för att få ytterligare kvantitativa resultat som kan jämföras med teoretiska modeller som beskriver tunna supraledande strukturer.

In this paper we perform a statistical analysis of dark counts in superconducting nanowire single photon detectors (SNSPDs) with the end goal of creating a quantum random number generator (QRNG) using these dark counts. We confirm that dark counts are Poissonian for low bias currents and that no afterpulsing is present. However, we also show that an increase in bias current causes the dark counts to violate the independence assumption. For the non-Poissonian dark counts we identify three seemingly similar effects and confirm that: (i) a single event is at times regarded as two by the flat-threshold discriminator in the time-tagging device; (ii) a reflection in the readout circuit incites a second detection event shortly after the arrival of a first one, creating a conditionality between dark counts; (iii) a damped oscillation in the effective bias current immediately after a detection event shows itself in the inter-arrival time probability distribution. Finally, we present and evaluate a method for generating random numbers using the Poissonian dark counts as an entropy source with promising results.

<p>Photodynamic therapy (PDT) is a rapidly developing clinical treatment modality involving a light-activatable photosensitizer, tissue oxygen and light of an appropriate wavelength to generate cytotoxic reactive molecular species - primarily singlet oxygen (¹O₂). Singlet oxygen readily reacts with surrounding biomolecules leading to different biological effects and subsequent therapeutic outcomes. Over the last decades, many standard PDT treatments have been approved worldwide to treat different medical conditions ranging from a variety of cancer conditions to age-related macular degeneration (AMD). Meanwhile, many active clinical trials and pre-clinical studies are underway for other clinical indications. The therapeutic outcomes of PDT are difficult to predict reliably even with many years of research. The fundamental cause for this is the inherent complexity of PDT mechanisms. As PDT involves three main components, the outcomes of PDT are determined by the combination of all components. Each component varies temporally and spatially during PDT, and the variations are mutually dependent on each other. Moreover, components such as the photosensitizer can have great variations in their initial distribution among patients even before PDT treatment. Given this, no well accepted standard PDT dose metric method has been recognized in clinics, although different approaches including explicit, implicit and direct dosimetry have been studied. To tackle the inherently complicated PDT mechanism in order to provide insights into PDT and PDT dosimetry, a theoretical one-dimensional model for aminolevulinic acid (ALA) induced protoporphyrin IX (PpIX)-PDT of human skin was developed and is presented in this thesis. The model incorporates major photophysical and photochemical reactions in PDT, and calculated temporal and spatial distributions of PDT components as well as the detectable emission signals including both sensitizer fluorescence and singlet oxygen luminescence (SOL) using typical clinical conditions. Since singlet oxygen is considered to cause PDT outcomes, the correlations of different PDT dose metrics to average reacted (¹O₂) "dose" and "dose" at different depths were examined and compared for a wide range of varied treatment conditions. The dose metrics included absolute fluorescence bleaching metric (AFBM), fractional fluorescence bleaching metric (FFBM) and cumulative singlet oxygen luminescence (CSOL), and the varied treatment conditions took into account different treatment irradiances and wavelengths, varied initial sensitizer concentration and distribution, and a wide range of optical properties of tissue. These investigations and comparisons provide information about the complicated dynamic process of PDT such as the induction of tissue hypoxia, photosensitizer photobleaching and possible PDT-induced vascular responses. It was also found that the CSOL is the most robust and could serve as a gold standard for the testing of other techniques. In addition to these theoretical studies, recent progress on the assessment of a novel, more efficient superconducting nanowire single photon detector (SNSPD) for singlet oxygen luminescence detection will be introduced and the current photomultiplier tubes (PMT) system will be briefly described as well. The author participated in the experimental assessments of the SNSPD and analyzed the results shown in this thesis.</p> / Doctor of Philosophy (PhD)