Haarfeine optische Faser-Filter für die Quantentechnologie

Optische Fasern, die nicht viel dicker sind als ein mensch­liches Haar, sind heute nicht nur das Rückgrat unseres welt­weiten Nachrichten­verkehrs. Mit ihnen werden auch außer­ordentlich empfind­liche und wegen ihrer geringen Baugröße und Robust­heit geschätzte Sensoren für Temperatur, chemische Stoffe und vieles mehr entwickelt. Ein wichtiges Bauteil in solchen Systemen sind optische Resonatoren oder Filter, die aus dem kontinuier­lichen Licht spektral scharfe Farblinien heraus­schneiden. Diese Filter bestehen im einfachsten Fall aus zwei gegenüber­liegenden Spiegeln, zwischen denen das Licht so präzise hin und hergeworfen wird wie das Pendel eines Uhrwerks. Die Farbe des Licht­felds wird dabei durch den Spiegel­abstand bestimmt.

Geeignete Spiegel lassen sich schon länger mit hoher Qualität auf den Enden solcher haar­feinen Fasern integrieren. Forschern der Uni Bonn ist es jetzt gelungen, auf ganz einfache Weise haar­feine optische Faser-Filter zu bauen. Sie sind nicht nur extrem kompakt und stabil, sondern auch noch in der Farbe abstimmbar. Die Wissen­schaftler haben die Faser­enden mit den Spiegeln in eine gemeinsame Hülse geklebt, die mit Piezo­kristallen gedehnt wird, und dadurch den Abstand der Spiegel kontrolliert.

„Der miniaturisierte optische Filter leistet einen weiteren Beitrag, um Photonik und Quanten­techno­logien zur entscheidenden Techno­logie des 21. Jahr­hunderts zu machen”, sagt Dieter Meschede von der Uni Bonn. Er ist Mitglied im Exzellenz­cluster „Matter and light for quantum computing“ (ML4Q) der Univer­sitäten Bonn und Köln sowie der RWTH Aachen.

Die miniaturisierten, hochstabilen optischen Präzisions­filter versprechen zahl­reiche Anwendungen: Sie speichern Licht­energie in einem winzigen Volumen, so dass schon einzelne Photonen für Zwecke der Quanten­technologie effizient gespeichert und mani­puliert werden können. Ihre hohe Empfind­lich­keit bietet sich zum Bau extrem kompakter und selektiver Sensoren an, zum Beispiel zum Nachweis atmo­sphä­rischer Gase. Bei Verwendung noch stabilerer Materialien für die Hülse könnten winzige optische Uhrwerke extrem hoher Frequenz­stabilität möglich werden.

RFWU / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  C. Saavedra et al.: Tunable fiber Fabry-Perot cavities with high passive stability, Optics Express 29, 974 (2021); DOI: 10.1364/OE.412273
• Quantentechnologie mit einzelnen neutralen Atomen (D. Meschede), Institut für angewandte Physik, Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn
• ML4Q – Exzellenzcluster „Matter and light for quantum computing“, Köln