Integriert optische Einphotonenquelle mit Zeitmultiplex

• Antragstellerin: Professorin Dr. Christine Silberhorn
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 235638099

Hauptziel des Projekts ist die Entwicklung einer hocheffizienten integriert optischen echten Einphotonenquelle im Telekom-Wellenlängenbereich, die auf probabilistischer Paarerzeugung mittels parametrischer Zweiphotonenfluoreszenz (PDC) basiert. Durch Ausnutzen eines Zeitmultiplex-Verfahrens können Einphotonen-Zustände auf Anforderung (on demand) mit hoher Erzeugungswahrscheinlichkeit und stark unterdrückten Mehrphotonen-Anteilen generiert werden.Die Quelle wird aus integriert optischen Schaltkreisen, die in LiNbO3 realisiert werden, aufgebaut. Ein erster Schaltkreis dient dabei zunächst zur Photonenpaarerzeugung mittels parametrischer Zweiphotonefluoreszenz (PDC) in einer periodisch gepolten Wellenleiterstruktur des Schaltkreises. Ein nachfolgender Richtkoppler wird monolithisch integriert und dient als Wellenlängenmultiplexer zur räumlichen Trennung von Signal- und Idlerphotonen. Zur Implementierung des anchließenden Zeitmultiplexen wird die Quelle mit einer periodischen Sequenz von Pulsen gepumpt. Die Signalphotonen der PDC werden dann zum Nachweis (Heralding) eines Photonenpaar-Erzeugungsereignisses genutzt, wohingegen die Idlerphotonen über eine faseroptische Verzögerungsstrecke zum zweiten integriert optischen Schaltkreis gelenkt werden. Dieser besteht aus zwei elektro-optischen 2x2 Schaltern, sowie einer Faserschleife, und dient zur Adaption der Zeiten zur Zusammenführung verschiedener Zeitslots. Dazu wird das erste Idlerphoton innerhalb der Pumpsequenz, das durch den Heralding-Detektor angezeigt wird, mittels des ersten elektro-optischen Schalters in die Faserschleife gelenkt. Nach Beendigung der Pumpsequenz kann das Idlerphoton - über den zweiten elektrooptischen Schalter - aus der Faserschleife ausgekoppelt werden. Zur weiteren Verbesserung des Aufbaus soll im Signalarm zudem ein photonenzahlauflösender Detektor getestet werden.Die Realisierung dieser Quelle erfordert die Entwicklung spezieller integriert optischer Komponenten und Schaltkreise. Um die Vorteile des Multiplex-Verfahrens ausnützen zu können, ist die Minimierung aller Komponenten- und Interfaceverluste, die insbesondere an den Übergängen zwischen Lichtleitfasern und integriert optischen Wellenleiterstrukturen entstehen, besonders wichtig und herausfordernd. Das Design der Komponenten sowie zugehöriger spezieller Herstellungsverfahren wird dergestalt entworfen bzw. verbessert, um den hohen Anforderungen quantenoptischer Experimente gerecht zu werden. Die Quelle wird hierbei schrittweise mit steigender Komplexität entwickelt und zusammengesetzt. Detaillierte Untersuchungen der Eigenschaften, wie Effizienz und Qualität der Einphotonen-Erzeugung, sollen durchgeführt werden.Mit den on demand erzeugten Einphotonenzustände unserer Quelle können wesentliche Schwachpunkte herkömmlicher PDC Quellen umgangen werden. Hinsichtlich möglicher Anwendungen in der Quanteninformationstechnik werden wir die erreichbare Qualität unserer Quelle kritisch evaluieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen