AlGaAs-Bragg-Reflexions-Wellenleiter bieten viel Potential als Quelle für verschränkte Photonen

Fraunhofer IAF forscht an kompakten On‐Chip‐Photonenpaar‐Quellen für Quantentechnologien

Pressemitteilung / 02. März 2021

Das Fraunhofer IAF 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 (AlGaAs) 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 BMBF innerhalb des Förderprogramms „Quantentechnologien – von den Grundlagen zum Markt“ als „WiVoPro“ (wissenschaftliches Vorprojekt) gefördert.

© Fraunhofer IAF
Simuliertes Profil einer Bragg-Reflexions-Lichtwellenmode in einem AlGaAs-Bragg-Reflexions-Rippenwellenleiter
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REM-Bild der Facette eines gespaltenen AlGaAs-Bragg-Reflexions-Rippenwellenleiters

Quantentechnologische Anwendungen basieren auf unterschiedlichen Quantenphänomen und physikalischen Gesetzen, denen Elementarteilchen unterliegen. Dazu zählt auch der Effekt von verschränkten Photonen, auf dem vielversprechende Konzepte für hochpräzise Sensorik und sichere Quantenkommunikation beruhen. Um diese Technologien in die Anwendung zu bringen, sind kompakte und effiziente Quellen für verschränkte Photonenpaare notwendig, die sich in photonische Schaltungen integrieren lassen.

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

AlGaAs-Bragg-Reflexions-Wellenleiter als Photonenpaar-Quellen

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 nm, d. h. im Telekom-Bereich (1500-1600 nm). 

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.

Potential zu besonders kompakter Bauform

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 Potential eine Pumplaserdiode zu integrieren. Dadurch wird eine besonders kompakte Bauform ermöglicht«, betont Dr. 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 1 nm 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 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.

Das Projekt »QuoAlA« wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung innerhalb des Rahmenprogramms der Bundesregierung »Quantentechnologien – von den Grundlagen zum Markt« als »WiVoPro« (Wissenschaftliches Vorprojekt) gefördert (FKZ: 13N15480). Das Ziel dieser Vorprojekte besteht darin, wissenschaftliche Fragestellungen im Hinblick auf zukünftige industrielle Anwendungen in der Photonik und Quantentechnologie zu untersuchen. Sie sollen die bestehende Forschungsförderung ergänzen und eine Brücke zwischen Grundlagenforschung und industriegeführter Verbundförderung schlagen.

 

Das Projekt QuoAlA wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF gefördert (FKZ: 13N15480).