21 Sep Si-Einzelphotonenquellen, kompatibel zum Glasfasernetz
Erst seit kurzem sind Einzelphotonenquellen in Silizium mit passenden Eigenschaften für die Quantenkommunikation umsetzbar. 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“, erläutert Dr. Yonder Berencén Leiter der Studie am HZDR-Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung. 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.
Nass- anstatt Trockenätzen
Gewählt wurde für die Verarbeitung von Silizium auf einem Chip eine Nassätztechnik anstatt der üblichen Trockenätztechniken: das metallunterstützte chemische Ätzen (Metal-assisted-chemical Etching, Macetch). 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 laut den Forschern nicht betroffen – hier wird das Material stattdessen unter einer Art Metallmaske chemisch weggeätzt.
Einzelphotonen aus Nanosäulen
Mit der Macetch-Technik stellten die Forscher zunächst Nanosäulen aus Silizium auf einem Chip her. Die fertigen Nanosäulen beschossen sie anschließend mit Kohlenstoff-Ionen und erzeugten so Photonenquellen in den Säulen. Mit der neuen Ätztechnik lassen sich Größe, Abstand und Flächendichte der Nanosäulen präzise steuern und kompatibel zu 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 denn: „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.“
Originalpublikationen:
[M. Hollenbach, N. S. Jagtap, C. Fowley, J. Baratech, V. Guardia-Arce, U. Kentsch, A. Eichler-Volf, N. V. Abrosimov, A. Erbe, C.Shin, H. Kim, M. Helm, W. Lee, G. V. Astakhov und Y. Berencén: Metal-assisted chemically etched silicon nanopillars hosting telecom photon emitters, Journal of Applied Physics, 2022 (DOI: 10.1063/5.0094715)]
[M. Hollenbach, Y. Berencén, U. Kentsch, M. Helm und G. Astakhov: Engineering telecom single-photon emitters in silicon for scalable quantum photonics, Optics Express, 2020 (DOI: 10.1364/OE.397377)]
