Lichtquellen für die Quantenkommunikation in dem spektralen Bereich um 1300 nm

• Antragsteller: Professor Dr. Stephan Reitzenstein
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 429588372

Die Realisierung von neuartigen und telekom-kompatiblen optoelektronischen Bauteilen für die Glasfaser-basierte Quantenkommunikation steht im Vordergrund dieses Projektes. Die Schlüsseltechnologien umfassen Einzelphotonenquellen (EPQ) basierend auf einzelnen Quantenpunkten (QPen) mit optischer und elektrischer Anregung sowie fortschrittliche vertikal-emittierende Laser (VECSELs) im 1,3 μm Wellenlängenbereich. Das obergeordnete Ziel des Projektes stellt dabei die Kombination dieser beidenSchlüsseltechnologien dar. Es soll eine hocheffiziente EPQ realisiert werden, die ununterscheidbare Photonen im Telekom-O-Band (1,3 μm) emittiert und die dabei resonant durch einen elektrisch betriebenen VCSEL gepumpt wird. Dieser Ansatz ebnet den Weg für eine kompakte und praktisch einsetzbare EPQ, die allein auf Halbleitertechnologie basiert. Die QP-Strukturen werden auf einem unteren Distributed-Bragg Reflektor (DBR) abgeschieden und darüber wird eine dielektrische Schichtstruktur aufgebracht, um eine Mikrokavität auszubilden. Die dielektrischen Schichten werden zusätzlich noch lateral strukturiert, um eine einfache und hocheffiziente Einkopplung der einzelnen Photonen in einmodige Wellenleiter oder einmodige Glasfasern zu ermöglichen. Für die Strukturierung des unteren Teils der Mikrokavitäten kommt eine einzigartige in-situ Tieftemperatur-Elektronenstrahl-Lithografietechnik zum Einsatz, um einzelne und vorselektierte QPe präzise innerhalb der Mesa zu positionieren, wodurch eine optimale Funktionalität der Bauteile erreicht wird. Um die QPe resonant und mit hoher Geschwindigkeit treiben zu können, werden Hochgeschwindigkeits-VCSEL im Wellenlängenbereich um 1,3 μm hergestellt. Dabei kommt zum einen ein GaAs-basiertes monolithisches Verfahren als auch ein InP-basierter Waferfusions-Ansatz zum Einsatz, die bezüglich der besseren Leistung bewertet werden. Die fertigen Strukturen werdenmittels quanten-optischer Experimente untersucht und getestet, wobei vor allem die wichtigsten Eigenschaften mit Hinblick auf die geplanten Anwendungen erfasst werden sollen. Hierzu gehören die Emissionsdynamik /-Rate, die Photonenextraktionseffizienz, der Reinheitsgrad der Einzelphotonenemission und die Ununterscheidbarkeit der einzelnen Photonen. Die Synergie der komplementären und langjährigen Expertise der beiden Partner aus Deutschland und Russland bietet dabei die notwendige Basis, um dasanspruchsvolle Ziel, nämlich die Realisierung von realen Anwendungen im Bereich der Quanteninformationsverarbeitung im Telekom-Wellenlängenbereich, voranzubringen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research, bis 3/2022
• Kooperationspartner: Dr. Sergey Blokhin, bis 3/2022