Nanosäulen aus Silizium
Fertigungstechnik macht Glasfaser-kompatible Einzelphotonenquellen möglich.
Für Quanteninformationstechnologien sind neue Photonenquellen nötig, die kontrolliert einzelne Lichtquanten aussenden – und zwar auf Abruf. Erst seit kurzem ist bekannt, dass solche Einzelphotonenquellen in Silizium mit passenden Eigenschaften für die Kommunikation umsetzbar sind. Jedoch fehlte bislang ein Verfahren, um die Quellen in moderne photonische Schaltkreise zu integrieren. Ein Team unter Leitung des Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hat am Beispiel von Silizium-Nanosäulen erstmals eine geeignete Fertigungstechnik präsentiert: eine chemische Ätztechnik, gefolgt von Ionenbeschuss.
„Silizium und Einzelphotonenquellen im Telekommunikationsbereich waren lange der ‚missing link‘ für die zügige Weiterentwicklung der Quantenkommunikation per Glasfaser. Jetzt haben wir die nötigen Voraussetzungen geschaffen“, erläutert Yonder Berencén vom HZDR-Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung, der die aktuelle Studie leitet. In anderen Materialien wie Diamant wurden Einzelphotonenquellen zwar schon gefertigt. Aber nur siliziumbasierte Quellen erzeugen Lichtteilchen mit der passenden Wellenlänge, um sich in Glasfasern auszubreiten – ein erheblicher Vorteil für die Praxis.
Den technischen Durchbruch erzielten die Forscher, indem sie anstelle der üblichen Trockenätztechniken für die Verarbeitung von Silizium auf einem Chip eine Nassätztechnik wählten: das metallunterstützte chemische Ätzen (MacEtch; metal-assisted-chemical etching). Die bisher eingesetzten Methoden, mit denen photonische Strukturen aus dem Silizium herausgearbeitet werden können, setzen hochreaktive Ionen ein. Diese Ionen rufen Defekte im Silizium hervor. Nur sind diese Störungen zufällig verteilt und überlagern das gewünschte Signal durch Rauschen. Das metallunterstützte chemische Ätzen ist von solchen Strahlungsschäden nicht betroffen – hier wird das Material stattdessen unter einer Art Metallmaske chemisch weggeätzt.
Mit der MacEtch-Technik stellten die Forscher zunächst die einfachste Form eines möglichen Lichtemitters her: Nanosäulen aus Silizium auf einem Chip. Die fertigen Nanosäulen beschossen sie anschließend, genau wie bei einem massiven Silizium-Block, mit Kohlenstoffionen und erzeugten so Photonenquellen in den Säulen. Mit der neuen Ätztechnik lassen sich auch Größe, Abstand und Flächendichte der Nanosäulen präzise steuern und kompatibel zu modernen photonischen Schaltkreisen einstellen. Pro Quadratmillimeter Chip leiten und bündeln tausende Silizium-Nanosäulen das Licht der Quellen, indem sie es vertikal durch die Säulen führen.
Den Durchmesser der Säulen variierten die Forscher. „Wir hatten gehofft, so in ausreichend dünnen Säulen durch den Kohlenstoffbeschuss nur einzelne Defekte zu platzieren und tatsächlich eine Einzelphotonenquelle pro Säule zu erhalten“, erläutert Berencén. „Das ist uns im ersten Versuch nicht perfekt gelungen. Unser Kohlenstoffbeschuss war selbst für die dünnsten Säulen im Vergleich noch etwas zu hoch dosiert. Aber zu den Einzelphotonenquellen ist es jetzt nur noch ein kleiner Schritt.“
Ein Schritt, an dem das Team bereits intensiv arbeitet, denn mit der neuen Technik hat eine Art Rennen um zukünftige Anwendungen begonnen. „Mein Traum ist es, alle elementaren Bausteine – von der Einzelphotonenquelle über photonische Elemente bis zum Einzelphotonendetektor – auf einem einzigen Chip zu integrieren und viele Chips dann zu einem modularen Quanten-Internet zu vernetzen“, so Berencén.
HZDR / DE
