Ml4Q Fiber Lab

MOTIVATION

Quantentechnologie mit optischen Fasern

Optische Fasern sind heute das Rückgrat der weltweit vernetzten Kommunikations-Infrastruktur. Es ist deshalb naheliegend, dass diese Infrastruktur auch von zukünftiger fasergebundenen Quantenkommunikation genutzt werden wird. Dazu müssen einzelne Photonen stark an kontrollierte Quantensysteme gekoppelt werden, was mit Faserresonatoren gelingt.
Optische Fasern ermöglichen auch die Realisierung von Schlüsselkomponenten wie z. B. optische Filter und Spektrometer für zukünftige faserbasierte photonische Technologien. Dabei bringt die mittels faseroptischer Komponenten mögliche Miniaturisierung große Vorteile in Stabilität, Robustheit, Integrationsdichte und somit Anwendungsreife. Schließlich wird die Verteilung von Frequenzstandards aus optischen Atomuhren mit einer Genauigkeit von bis zu 10-18 mittels optischer Glasfasern eine neue Basis für vernetzte Präzisions-Messtechnik und Quantensensorik schaffen.

Das Fiber Lab der Universität Bonn entwickelt faseroptische Schlüsselkomponenten für die Quantentechnologie.

VERFAHREN UND GERÄTE

Fiber mirror production schematic
Mikrobearbeitung von Faserendflächen durch CO2-Laserablation zur Herstellung miniaturisierter optischer Faserresonatoren
Nanoscribe Photonic Professional GT
3D-Mikrolithographie-Anlage (Photonic Professional GT von Nanoscribe GmbH) zur Herstellung dielektrischer optischer Mikrostrukturen und Masken für eine strukturierte Metallisierung direkt auf optischen Fasern
Fujikura Faser-Splicer
Faser-Cleaver und -Splicer für höchste Präzisionsanforderungen
4 electrodes on fiber endface
Anlagen zum Aufdampfen von Metallschichten, zum Wirebonden, zur Plasmareinigung und -Veraschung, sowie Faser-Profilometer

PRODUKTE

Faserspiegel

Das Bonn Fiber Lab produziert regelmäßig konkave Faserspiegel auf den Endflächen von ein- und mehrmodigen optischen Fasern (Abb. 1). Mit Hilfe eines Interferenzmikroskops wird die Form der Spiegel genau vermessen (Abb. 2). Nach der Beschichtung mit hochreflektierenden dielektrischen Spiegeln werden daraus Faserresonatoren gefertigt.

Faserendfläche vor und nach Bearbeitung
Abb. 1: Endfläche einer optischen Glasfaser (Durchmesser 125 µm), links vor und rechts nach der Erzeugung einer konkaven Spiegelfläche mittels Laserablation. Optische Interferenzmikroskop-Aufnahmen.
Surface topography reconstruction of a cleaved and a laser-ablated fiber end face
Abb. 2: Hochauflösende Topographie der Endfläche einer optischen Faser nach dem Trennen (“Cleaven”, links) und nach dem Formen einer konkaven Spiegelfläche mittels Laserablation (rechts). Man beachte die vertikal vergrößerte Darstellung, in Wirklichkeit ist die Vertiefung sehr flach.

Optische Faserresonatoren

Faserresonatoren besitzen sehr kleine Modenvolumina (Länge ~100 µm, Radius ~5 µm) bei einer Finesse bis zu 100 000  [1]. Das geringe Bauvolumen (Abb. 3) ermöglicht eine hohe passive Stabilität sowie eine Miniaturisierung und Integration in photonische Systeme. Die Faserresonatoren dienen somit als technische Grundlage z. B. für Quantenspeicher auf der Basis von Atomen und Ionen, sowie für Filter- und Spektroskopie-Anwendungen [1]. Ihre Koppeleffizienz lässt sich durch die Kombination von Fasern verschiedener Typen steigern (Abb. 4).

Faserresonator mit Cent-Münze
Abb. 3: Zwei Fasern, die an ihren Enden bearbeitet und verspiegelt wurden, werden in eine Glas-Ferrule eingeführt und bilden einen sehr kompakten monolithischen Faserresonator (1-Cent-Münze zum Größenvergleich).
Stack of different fiber types spliced together
Abb. 4: Hier wurden kurze, nur Bruchteile von Millimetern lange Stücke von Gradientenindex- und Multimode-Fasern auf eine Singlemode-Faser gespleißt. Hierbei weichen die Faserlängen weniger als 5μm von den vorgegeben Werten ab. Mit diesem Aufbau kann die Modenanpassung zwischen Faserresonator und Singlemode-Glasfaser signifikant verbessert und so die optische Ein- und Auskoppeleffizienz maximiert werden.

Metallische Mikroelektroden und -Antennen auf Faserbauelementen

Die Funktionalität von optischen Faserresonatoren kann weiter gesteigert werden, wenn man die Faserendflächen und die Seiten der Fasern mit metallischen Leiterbahnen und Elektroden versieht. Beispielsweise könnte man damit die Elektroden einer Ionenfalle direkt in den optischen Faserresonator integrieren (Abb. 5). Eine andere potentielle Anwendung ist die Implementierung von RF- und Mikrowellen-Nahfeld-Antennen, die eine besonders effiziente Manipulation von atomaren Quantensystemen mittels magnetischer Felder erlauben.

Während die erforderlichen minimalen Strukturabmessungen von einigen Mikrometern an sich keine besondere technische Herausforderung darstellen, sind die gängigen Lithographieverfahren, z.B. die Elektronenstrahllithographie, leider nicht direkt anwendbar, da diese üblicherweise für ebene Substrate ausgelegt sind. Zudem möchte man eine Kontamination der hochreflektierenden Spiegelschichten mit Photolack-Resten vermeiden. Im Bonner Fiber Lab wird daher ein speziell an die Fasergeometrie angepasstes Mikrostrukturierungsverfahren entwickelt. Hierzu wird zunächst mit Hilfe einer laserbasierten 3D-Mikrolithographie-Anlage (im Prinzip ein 3D Drucker für sehr feine Strukturen) eine spezielle Polymerhülse gedruckt (Abbildung 6). Anschließend wird die optische Glasfaser in die Hülse eingeführt und zusammen mit dieser in eine Aufdampfanlage für Metalle (zumeist Gold oder Kupfer) eingebaut. Die Öffnungen in der Hülse definieren während des Aufdampfvorgangs die metallisierten Bereiche auf der optischen Faser. Im letzten Schritt wird nach dem Aufdampfen die Polymerhülse noch mit einem Mikromanipulator entfernt.

Elektroden auf Glasfaser
Abb. 5: Vier Gold-Elektroden auf der Endfläche einer optischen Faser. Die Elektroden wurden mittels einer dreidimensionalen Polymer-Maske hergestellt und sind über die zylindrische Mantelfläche der Faser elektrisch kontaktiert.
Design der dreidimensionalen Polymermasken zum Aufdampfen von Elektroden auf Glasfasern
Abb. 6: Design einer dreidimensionalen Polymermaske zum Aufdampfen von vier Goldelektroden auf die Frontläche und Anschlusspads auf die Matelfläche der Faser.

ANWENDUNGEN

Faserbasierte Quantenkommunikation

Die Vertraulichkeit der Datenübertragung und ihre Sicherheit gegen Hacker-Angriffe werden derzeit mittels Verschlüsselungsalgorithmen erreicht, deren Sicherheit jedoch nicht beweisbar ist und mit Quantencomputern in Zukunft möglicherweise sogar gebrochen werden kann. Die Quantenkommunikation bietet hier einen Paradigmenwechsel von algorithmisch zu physikalisch gesicherter Datenübertragung. Quantenkommunikation kann durch die Übertragung von Photonen, in denen Quantenzustände kodiert sind, über Glasfasern realisiert werden. Quantenzustände können jedoch nicht verstärkt werden, daher können heute nur Entfernungen bis ca. 100 km überberückt werden. Für zukünftige landes- und europaweite Quantennetzwerke werden daher sogenannte Quantenrepeater benötigt [2]: Zwischenknoten, ausgestattet mit Quantenspeichern und Quantenoperationen, die auch zwischen weiter entfernt liegenden Knoten Quanten-Verschränkung erzeugen und als Ressource für die Quantenkommunikation bereitstellen können.

Die photonischen Quantenzustände (auf den Fasern „fliegende Qubits“) werden an den Knoten zukünftiger Quantennetzwerke zur Speicherung auf materielle Qubits (Atome oder künstliche Atome) übertragen werden. Dafür werden Bauelemente wie z. B. optische Resonatoren gebraucht, die idealerweise direkt in die Faserstrecken integriert werden [1].

Quantencomputer mit optischen Fasern vernetzen

Einzelne, gespeicherte Ionen stellen gegenwärtig eine der beiden vielversprechendsten Plattformen für Quantencomputer dar. Insbesondere die lange Kohärenzzeit und die damit verbundene Möglichkeit lange komplexe Quantenoperationen auszuführen machen sie attraktiv. Eine Schlüsseltechnologie ist die Vernetzung von Quantencomputern mittels Licht analog zur glasfaserbasierten Kommunikation in der herkömmlichen Informationsverarbeitung. Hierbei nehmen faserbasierte optische Resonatoren eine wichtige Rolle ein, weil sie direkt in Ionenfallen – die Prozessoren eines Quantencomputers – integriert werden können und eine effiziente Ankopplung der Ionenfalle an Fasernetzwerke ermöglichen. Die Miniaturisierung der optischen Resonatoren spielt eine zentrale Rolle, weil zu große Resonatorstrukturen die empfindlichen Qubits in der Ionenfalle – bis hin zum Totalausfall – stören. Die erstmalige Integration faserbasierter Resonatoren in eine Ionenfalle [3] hat der Vernetzung von Quantencomputern somit eine neue Tür geöffnet. Die konsequente Weiterentwicklung der Faserresonatoren zu neuen Wellenlängenbereichen (von ultraviolet bis infrarot), verbesserten Oberflächenbeschichtungen und Positioniergenauigkeit wird die Bandbreite der Einsetzbarkeit in Zukunft weiter verbreitern.

 

Optische Filter und Spektrometer

Faserresonatoren eignen sich sehr gut als integrierte und schmalbandige optische Filter. Sie können mit der sogenannten Cavity Ring Down-Methode auch als Spektrometer eingesetzt werden, die sich durch extrem kompakte Bauweise auszeichnen.

 

BETEILIGTE ARBEITSGRUPPEN

AG Quantentechnologie
Prof. Dr. Dieter Meschede,
Institut für Angewandte Physik, Universität Bonn

AG Nanophotonik
Prof. Dr. Stefan Linden,
Physikalisches Institut, Universität Bonn

AG Experimentelle Quantenphysik
Prof. Dr. Michael Köhl,
Physikalisches Institut, Universität Bonn

PUBLIKATIONEN

[1] J. Gallego, S. Ghosh, S. K. Alavi, W. Alt, M. Martinez-Dorantes, D. Meschede,
High-finesse fiber Fabry-Perot cavities: stabilization and mode matching analysis
Applied Physics B 122, 47 (2016)

[2] C. Becher, D. Meschede, P. Michler, R. Werner,
Sichere Kommunikation per Quantenrepeater
Physik in unserer Zeit 47, Heft 1, 20 (2016), Verlag Wiley-VCH

[3] M. Steiner, H. M. Meyer, C. Deutsch, J. Reichel, M. Köhl:
Single ion coupled to an optical fiber cavity
Phys. Rev. Lett. 110, 043003 (2013);
see also the Physics Focus story: Optical Fibers Illuminate Single Ion

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