Halbleiter-Scheibenlaser
Damit Quantennetzwerke verlustarm funktionieren
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.
Ein Konsortium, darunter das Fraunhofer IAF, entwickelt einen hochpräzisen Quantenfrequenzkonverter, um die Wellenlänge bzw. Frequenz aktueller optischer Qubits in Quantennetzwerken an den Glasfaser-Standard (1550 nm) anzupassen und hohe Verluste bei der Informationsübertragung zu verhindern.
Als Pumpquelle für hochpräzise Quantenfrequenzkonverter entwickelt das Fraunhofer IAF im BMBF-geförderten Projekt »HIFI« einmodige Halbleiter-Scheibenlaser im Wellenlängenbereich von 2 bis 2,2 µm. Auf der LASER World of PHOTONICS 2023, die vom 27. bis zum 30. Juni 2023 in München stattfindet, präsentiert das Fraunhofer IAF am Fraunhofer-Gemeinschaftsstand 441 in Halle A3 ein Scheibenlasermodul als Beispiel seiner optoelektronischen Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten entlang der III-V-Halbleiter-Wertschöpfungskette.
Die hochpräzisen Quantenfrequenzkonverter (Quantum frequency converter, QFC) werden innerhalb eines Konsortiums im Projekt »HIFI – Hochintegrierter Quantenfrequenzkonverter höchster Fidelität auf Basis innovativer Laser-, Faser- und Produktionstechnologie« entwickelt. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert »HIFI« im Rahmen der Fördermaßnahme »Enabling Technologies für die Quantentechnologien« über drei Jahre.
Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF trägt zum Projekt die Entwicklung spezieller einmodiger-Halbleiter-Scheibenlaser (Semiconductor Disk Laser, SDL) als rauscharme Pumpquelle für die Quantenfrequenzkonversion bei. Sie 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.
2-µm-Halbleiter-Scheibenlaser für die Quantenfrequenzkonversion
Dr. Marcel Rattunde, Projektleiter von »HIFI« auf Seiten des Fraunhofer IAF, betont die wesentliche Bedeutung der SDL-Entwicklung für das 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 sind hierfür die ideale Lichtquelle, da sie eine hohe Ausgangsleistung mit spektraler Durchstimmbarkeit, einmodiger Emission und Langzeitstabilität kombinieren können.«
Die Forscher um Rattunde haben in »HIFI« 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 kann die Frequenz von optischen Qubits aus Stickstoff-Vakanz-Zentren (nitrogen-vacancy centers, NV-Zentren) in Diamant, die bei 637 nm liegt, ins Telekomband konvertiert werden.
Neben dem einmodigen SDL-Modul im Wellenlängenbereich von 2 bis 2,2 nm zur Quantenfrequenzkonversion zeigt das Fraunhofer IAF unter anderem prozessierte Wafer, eine Avalanche-Photodiode, effiziente Steuerelektronik für optoelektronische Anwendungen und einen Bragg-Reflektionswellenleiter auf Basis von Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) als Photonenpaar-Quelle vor
Module für Anwendungen der Optoelektronik wie auch der Hochfrequenz- und Leistungselektronik zu realisieren, bildet einen wesentlichen Schritt in der Wertschöpfungskette für III/V-Verbindungshalbleiter. Im Bereich Forschung und Entwicklung deckt das Fraunhofer IAF die gesamte Wertschöpfungskette 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 des Instituts Kooperationen sowohl im Rahmen öffentlicher Forschungsprojekte als auch in Form von individuellen Industrieaufträgen.
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