Kompakte On‐Chip‐Photonenpaar‐Quellen

Verschränkte Photonen für industrielle quantentechnologische Anwendungen.

Das Fraunhofer-Institut für angewandte Fest­körper­physik startet ein Projekt zu kompakten On-Chip-Quellen für verschränkte Photonen, die eine wichtige Komponente für die Realisierung industrieller quanten­techno­logischer Anwendungen sind. Die Wissen­schaftler unter­suchen im Projekt QuoAlA auf Aluminium­gallium­arsenid basierende Wellen­leiter als Quellen zur Erzeugung von verschränkten Photonen. AlGaAs ermöglicht eine besonders kompakte Bauform und Chip­integration. Das Projekt ist im Februar gestartet und wird vom Bundes­ministerium für Bildung und Forschung innerhalb des Förder­programms „Quanten­techno­logien – von den Grund­lagen zum Markt“ gefördert.

Abb.: Simuliertes Profil einer Bragg-Reflexions-Licht­wellen­mode in einem...
Abb.: Simuliertes Profil einer Bragg-Reflexions-Licht­wellen­mode in einem AlGaAs-Bragg-Reflexions-Rippen­wellen­leiter. (Bild: Fh.-IAF)

Die Hauptkomponenten quanten­photonischer Systeme wie Spiegel, Strahl­teiler und Phasen­schieber sind mittler­weile alle in integrierter Form realisierbar. Gleiches gilt jedoch nicht für die ebenfalls benötigten Licht­quellen und Detektoren. „Unser Ziel ist es, alle Funktionen, die für die Quanten­kommuni­kation benötigt werden, also für die Erzeugung, Manipu­lation und Detektion von einzelnen und verschränkten Photonen, in nur einem Chip zu integrieren“, erläutert Thorsten Passow, Projekt­leiter am Fraunhofer-IAF. Einen ersten Schritt in Bezug auf die Licht­quellen machen die Forscher mit dem Projekt „QuoAlA – Quanten­verschränkte Photonen­paar-Quelle bei Telekom-Wellen­längen auf Basis von AlGaAs-Bragg-Reflexions-Wellen­leitern“.

Im Zentrum von QuoAlA stehen grund­legende Unter­suchungen von auf AlGaAs basierenden Photonen-Quellen und ihrer epitak­tischen Herstellung. Ziel ist die Erzeugung von Photonen­paaren mit einer hohen Qualität der Verschränkung bei exakt definierter Wellen­länge. Angestrebt wird dabei eine Wellen­länge von 1550 Nanometern, also im Telekom-Bereich. Das Halb­leiter­material AlGaAs ist aus mehreren Gründen ein viel­ver­sprechendes Material für Photonen­paar-Quellen. So verfügt es beispiels­weise über nicht­lineare Eigen­schaften. In einem Material mit nicht­linearen Eigen­schaften kann bei hoher Licht­intensität aufgrund eines optischen Effektes ein Photon spontan in zwei Photonen zerfallen. Die zwei so entstandenen Licht­teilchen können quanten­mechanisch verschränkt sein.

Zudem ermöglichen AlGaAs-Bragg-Reflexions-Wellen­leiter die Integration mit anderen optischen und elektronischen Komponenten auf Chipebene. „Ein Allein­stellungs­merkmal der im Projekt QuoAlA verwendeten Techno­logie ist das Potenzial eine Pump­laser­diode zu integrieren. Dadurch wird eine besonders kompakte Bauform ermöglicht“, betont Passow. Durch eine reduzierte Größe, Gewicht und Leistung der Komponenten wäre damit eine wesent­liche Voraus­setzung für die Reali­sierung praktischer Anwendungen erfüllt.

Für die Anwendung als Quelle in der Tele­kommuni­kation muss die Wellen­länge der Photonen sehr präzise einge­stellt werden können, weil der Wellen­längen­abstand der Kanäle kleiner als ein Nanometer ist. Die Wellen­länge der erzeugten Photonen hängt dabei sehr empfindlich von der epitaktisch herge­stellten Schicht­struktur der Wellen­leiter ab. Im Fokus des Projekts steht daher die Genauig­keit der Epitaxie von auf AlGaAs basierten Bragg‐Reflexions-Wellen­leitern hinsichtlich der Wellen­länge der erzeugten verschränkten Photonen.

Die jahrzehntelange Erfahrung des Fraunhofer-IAF in der Epitaxie von qualitativ hoch­wertigen GaAs-basierten Hetero­strukturen sowie in der Prozess­techno­logie zur Realisierung von Wellen­leiter­strukturen in verschiedenen III/V-Halb­leiter­materialien fließen bei den AlGaAs-Wellen­leiter­strukturen im Projekt ein. Zudem nutzen die Wissen­schaftler eine Software zur optischen Simulation von Bragg-Reflexions-Wellen­leitern, die sie zuvor im Projekt NESSiE entwickelt haben.

Fh.-IAF / RK

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