10 Okt. Scheibenlaser pumpt Frequenzkonverter für Quantenanwendungen
Quantenfrequenzkonverter (Quantum Frequency Converters, QFCs) ermöglichen es, die Frequenz beziehungsweise Wellenlänge von Photonen gezielt zu verändern, sie verlustarm in Glasfasernetzen zu übertragen und Quantennetzwerke aufzubauen. Quantennetzwerke können Quanteneffekte über große Distanzen nutzen, um beispielsweise abhörsichere Kommunikation zu ermöglichen, Quantenuhren zu synchronisieren, Teleskope zu verbinden oder Quantencomputer zu vernetzen und ihre Rechenfähigkeit zu erhöhen. Um die Wellenlänge aktueller optischer Qubits an den Glasfaser-Standard (1550 nm Wellenlänge) anzupassen und hohe Verluste bei der Informationsübertragung zu verhindern, werden hochpräzise QFC benötigt. Als rauscharme Pumpquelle für diese hochpräzisen QFC entwickelt das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF einmodige Halbleiter-Scheibenlaser (Semiconductor Disk Laser, SDL) im Wellenlängenbereich von 2 bis 2,2 µm. Diese sollen die hohen Anforderungen von QFCs hinsichtlich Pumpleistung, Linienbreite sowie Stabilität erfüllen und somit eine hohe Konversionseffizienz mit minimalem Wellenlängenrauschen ermöglichen, die die Funktionsfähigkeit der optischen Qubits stören würde. Die Entwicklung findet im Rahmen des BMBF-geförderten Projekts ‚HIFI – Hochintegrierter Quantenfrequenzkonverter höchster Fidelität auf Basis innovativer Laser-, Faser- und Produktionstechnologie‘ statt.
2-µm-Halbleiter-Scheibenlaser für rauscharme Frequenzkonversion
Dr. Marcel Rattunde, Projektleiter von HIFI seitens des Fraunhofer IAF, betont die wesentliche Bedeutung der SDL-Entwicklung im Projekt: „In HIFI wird eine besonders rauscharme Art der Frequenzkonversion entwickelt, die zwingend einen leistungsstarken, schmalbandigen Laser im Bereich um 2,0 bis 2,2 µm benötigt, der zugleich spektral auf die Anwendung präzise eingestellt und stabilisiert werden kann.“ Galliumantimonid-(GaSb-) basierte Halbleiter-Scheibenlaser seien, so Rattunde, hierfür die ideale Lichtquelle, da sie eine hohe Ausgangsleistung mit spektraler Durchstimmbarkeit, einmodiger Emission und Langzeitstabilität kombinieren können.
Prinzip der Quantenfrequenzkonversion: Mit Hilfe eines geeigneten Pumplasers wird ein hochenergetisches Photon (blau) in einem nichtlinear-optischen Kristall zu einem niederenergetischen Photon für den Telekom-Bereich (rot) umgewandelt. Bild: Fraunhofer IAF
Die Forschenden haben beispielsweise ein kompaktes und spektral einmodiges SDL-Modul auf Basis des III/V-Halbleiter-Materialsystems GaSb entwickelt, das für die absolute Wellenlängenstabilität mittels Frequenzkamm bei einer Wellenlänge von 2128 nm aktiv gelockt werden kann, eine hohe Leistung von aktuell über 1,5 W erreicht und sich durch eine schmale Linienbreite auszeichnet. Mit diesem Modul soll die Wellenlänge von optischen Qubits aus Stickstoff-Vakanz-Zentren (Nitrogen-Vacancy Centers, NV-Zentren) in Diamant, die bei 637 nm liegt, ins Telekomband konvertiert werden.
Labortestaufbau für einen Halbleiter-Scheibenlaser. Bild: Fraunhofer IAF
Modulentwicklung und -fertigung
Im Bereich Forschung und Entwicklung deckt das Fraunhofer IAF die gesamte Wertschöpfungskette für III/V-Verbindungshalbleiter ab: von der Simulation und dem Design von Schaltungen oder Dioden über das Materialwachstum, die Prozessierung, die Realisierung und Charakterisierung von Bauelementen bis hin zur Integration der Module in bestehende oder selbstentwickelte Anwendungssysteme. Dabei ermöglicht die Forschungstiefe dem Institut zufolge Kooperationen sowohl im Rahmen öffentlicher Forschungsprojekte als auch in Form von individuellen Industrieaufträgen.
Quelle und Bild: www.iaf.fraunhofer.de