Verbundvorhaben: Kompakte, performante und hoch-integrierte Faint Pulse Source bei 850 nm - Phase 2A: Teilprojekt: Optimierung der oberflächenemittierenden Halbleiterlaser-Arrays bei 850 nm als abge-schwächte Pulsquellen für die Quantenkommunikation

Abstract

Systeme zum Austausch von Quantenschlüsseln für die physikalisch sichere, kryptografische Kommunikation können typischerweise auf verschränkten Photonen oder Photonen aus abgeschwächten Laserpulsen basieren. Während verschränkten Photonenquellen kein Vertrauen geschenkt werden muss, ist der Photonenquelle für abgeschwächte Pulse der Schlüssel bekannt – der Quelle muss somit vertraut werden. Bei satellitengestützten, verschränkten Photonenquellen ist bisher die Schlüsselrate gering und liegt im einstelligen Bit/s Bereich. Bei Photonenquellen mit abgeschwächten Pulsen, auch Faint Pulse Sources (FPS) genannt, ist die Schlüsselrate gegenwärtig mehrere Größenordnungen höher und liegt im Bereich von kbit/s . Wesentlicher Grund hierfür sind die hohen Photonenraten bei typischen FPS-Architekturen durch Laser erzeugt werden, deren Pulse mit 100 MHz Rate generiert werden. Als interessanten Architekturansatz für eine Laserquelle mit abgeschwächten Pulsen werden 8 oberflächenemittienrende Laser, sogenannte VCSEL, verwendet, um die unterschiedlichen Anforderungen der Decoy- und Signal-Pulsen bezüglich der Ununterscheidbarkeit gerecht zu werden. Zunächst wurde das Design der VCSEL auf die Anforderungen des FPS-Systems abgestimmt und die entsprechenden Fabrikationsmasken und Halbleiterstrukturen entworfen. Um die für die Anwendung benötigten 4 Polarisationsbasen der VCSEL im Array festzulegen wurde eine Gittertechnologie entwickelt, die eine direkte Integration in das VCSEL Bauelement ermöglicht. Die Analysen so hergestellter VCSEL mit integrierten Polarisation-selektiven Elementen zeigten hervorragende Eigenschaften. Parallel wurden Mikrolinsen entwickelt, die ebenfalls monolithisch mit den VCSELn integriert werden, um eine bessere Einkopplung der optischen Pulse in den Wellenleiterchip des Systems zu gewährleisten. Die Prozesstechnologie wurde so entwickelt, dass ein Transfer auf eine Serienfertigung einfach realisierbar ist.