Verbundname: Modengekoppelte Halbleiterlaser für die kohärente Kontrolle von Festkörper-Quantensystemen; Teilvorhaben: Quantenpunktschichten für modengekoppelte Halbleiterlaser zur Anregung von Einzelphotonenquellen im 900 nm Wellenlängenbereich

Abstract

Ziel des Teilvorhabens der Universität Würzburg war das Design, die Epitaxie und die Charakterisierung von Quantenpunktschichten, die ein stabiles Modenkoppeln mit kurzen Pulsen (~ 10 ps) in Halbleiterlasern mit einer Resonatorlänge von mehreren Zentimetern ermöglichen. Diese großen Längen sind erforderlich, um Repetitionsraten im Bereich von 1 GHz zu erreichen und damit eine kompakte und für die Anregung von Quantenpunkten in Einzelphotonenquellen optimierte Lichtquelle zu realisieren. Die Längen normaler Halbleiter- laser bewegen sich im sub-mm Bereich, bei modengekoppelten Lasern werden Längen bis zu einigen mm verwendet. Die im Projekt angestrebten Längen lagen um eine Größenordnung darüber. Dies kann zu Instabilitäten der Modenkopplung führen, oder sogar das Modenkoppeln insgesamt verhindern. Gleiches galt für die Verstärkerchips auf Basis von Quantenpunkten, die in den hybriden Resonatoren mit externen Reflektoren eingesetzt wurden (Kooperation mit Fraunhofer IOF und Universität Jena). Neben der Epitaxie wurden an der Universität Würzburg auch Simulationen zu den elektro- optischen Eigenschaften der Laserschichten durchgeführt. Dies betraf Parameter wie den Überlapp der optischen Mode mit den Quantenpunktschichten, oder die Berechnung der elektronischen Zustände in den Quantenpunkten. Diese Arbeiten wurden in enger Abstimmung mit der nanoplus GmbH durchgeführt. Ein weiteres Arbeitspaket war die Validierung der modengekoppelten Laser in quanten- optischen Experimenten. Hier wurden die vom Partner nanoplus zur Verfügung gestellten Lasermodule zunächst hinsichtlich ihres Modenkoppeln charakterisiert und anschließend zur Anregung von einzelnen Quantenpunkten in Resonatorstrukturen eingesetzt. Als Referenz kam ein Ti:Sa-Laser für die Anregung zum Einsatz. Die emittierten einzelnen Photonen wurden hinsichtlich ihrer Reinheit (Anteil an Mehrphotonenereignisse) und Ununterscheidbarkeit untersucht. Für die Validierungsexperimente waren im Antrag ursprünglich Mikrotürmchenresonatoren vorgesehen, da der Lehrstuhl für Technische Physik hier über jahrzehntelange Expertise verfügt. Als Alternative wurden im Lauf des Projekts so genannte Bulls-Eye-Resonatoren identifiziert, in denen Quantenpunkte eine strahlende Lebensdauer von weit unter 100 ps erreichen und die damit für die angestrebten hohen Anregungsraten vorteilhafter sind. Die Herstellung dieser Strukturen erfordert allerdings eine sehr hohe Genauigkeit bei der Prozessführung, vor allem in Bezug auf die Positionierung der Resonatoren zu den Quantenpunkten. Hier war vor allem der Einsatz einer im Rahmen des Projekts beschafften Elektronenstrahllithografieanlage (Investition Position 3) von entscheidender Bedeutung und diese hat einen wichtigen Beitrag zum Erfolg des Projektes geliefert. Bei abschließenden Validierungsexperimenten wurden die Eigenschaften der von einem Quantenpunkt in einem Bulls-Eye-Resonator emittierten Photonen bei Anregung mit einem Ti:Sa-Laser und einem im Projekt entwickelten modengekoppelten Halbleiterlaser mit 1 GHz Repetitionsrate verglichen. Hier gab es keinerlei Unterschiede bei der Reinheit (Anteil an Mehrphotonenereignissen) der Einzelphotonenemission. Die um mehr als eine Größenordnung höhere Photonenrate stellt allerdings einen entscheidenden Vorteil bei jeglicher Art von quantenoptischem Experiment mit einzelnen Photonen dar. In einem weiteren Experiment wurde die Ununterscheidbarkeit der Photonen untersucht. Hier konnte ein sehr guter Wert der Visibility (Sichtbarkeit) der Zweiphotoneninterferenz von über 90 % erzielt werden. Für die Anregung von Quantenpunkten stellen die im Projekt entwickelten Laser daher eine vielversprechende Alternative zu den bis jetzt verwendeten Systemen (vor allem Ti:Sa-Laser) dar. In Anbetracht weiterer Vorteile (kompakte Bauform und niedrigere Kosten) sind sie ihnen sogar überlegen.