Mikrolaser emittiert chaotische Lichtpulse

Während in der makro­skopischen Welt Chaos in der Regel lieber vermieden wird, können sich Quanten­physiker über diesen Zustand geradezu begeistern: „Chaos ist eine hoch­interessante Eigenschaft unserer Systeme“, so Stephan Reitzen­stein vom Institut für Festkörper­physik an der TU Berlin. Neben ihrer faszi­nierenden Physik spielen chaotische Systeme in der abhör­sicheren Informations­übertragung eine große Rolle, da mit ihnen unter anderem Zufalls­zahlen für die Verschlüs­selung von Daten generiert werden können. Für die Erzeugung chaotischer Signale wird unter anderem ein selbst­pulsender Laser benötigt, also eine Licht­quelle, die unregel­mäßig Photonen emittiert, und ein entsprechend sensibler Detektor.

Stephan Reitzen­stein und seinem Team in Koope­ration mit der Arbeits­gruppe von Kathy Lüdge und Kollegen der Univer­sität Würzburg ist es jetzt im Rahmen seines ERC Conso­lidator Grants „EXQUISITE“ gelungen, Mikrolaser und Mikro­detektoren in einem Abstand von wenigen Mikro­metern auf einem gemein­samen Mikrochip zu integrieren und zu koppeln. Das gesamte System ist so winzig, dass es nur unter dem Mikroskop sichtbar ist. Die Wissen­schaftler demonstrierten, wie in diesem System das emittierte Laserlicht vor Ort detektiert und elektrisch verstärkt dem Laser wieder zugeführt wird. „Dieses kleine rückge­koppelte optische Netzwerk ist bei geeigneten Betriebs­parametern äußerst instabil, was zu einem faszi­nierenden chao­tischen Emissionsv­erhalten führt“, so Stephan Reitzen­stein.

Minia­turisierte Halbleiter­bauelemente auf engstem Raum gekoppelt bilden eine wichtige Grundlage für die moderne Information­stechnologie. In der aktuellen Forschung erreicht man dabei bereits das Quanten­regime, in dem klassisch nicht erklärbare physika­lische Effekte eine zentrale Rolle in der Bauteil­funktion spielen können. Hier hat das entwickelte Mikro­laser-Mikro­detektor Konzept als integrierte Licht­quelle großes Anwendungs­potential.

So zeigt diese Lichtquelle bei optimierten Betriebs­parametern eine Art Selbst­pulsen, was zukünftig für die gezielt steuer­bare Emission einzelner Photonen in äußerst kompakten Einzel­photonen­quellen genutzt werden soll. Dies kann ebenfalls Anwendung in der Daten­übertragung finden – in diesem Fall in der vollkommen abhör­sicheren Quanten­kommunikation durch die Informations­übertragung mittels einzelner Photonen.

TU Berlin / JOL