Nieuwe toepassingen voor microlasers in de kwantum-nanophotonica

Schematische Darstellung des Experiments: Das Licht des elektrisch gepulsten Mikrolasers (links) wird über eine Glasfaser zur Einzelphotonenquelle (rechts) geführt. Es erzeugt dort einzelne Photonen, die über einen Polarisationsfilter präzise vom Laserlicht getrennt werden müssen. (© Sören Kreinberg/TU Berlin)

De wetenschap rond micro- en nanolaser krijgt wereldwijd veel aandacht. In de regel richten onderzoekers zich vooral op de fundamentele fysica van deze lasers. Wat voor mogelijke toepassingen deze extreem kleine lasers in de praktijk zullen hebben, is nog onduidelijk. "Het feit dat er nog geen of nauwelijks toepasbare micro-lasers zijn, ligt onder andere eraan dat ze slechts een zeer geringe optische output hebben. Bijvoorbeeld, 1000 micro-lasers zouden nodig zijn om de output van een laserpointer te evenaren," legt Prof. Dr. Stephan Reitzenstein uit van het vakgebied "Opto-elektronica en Quantum Devices" aan het Institute of Solid State Physics van de TU Berlijn. "Interessant zouden toepassingen kunnen zijn waarbij slechts heel weinig licht nodig is. Dit is bijvoorbeeld het geval bij het bedienen van een enkel-fotonenbron." Het werkteam van Stephan Reitzenstein is er voor het eerst in geslaagd, binnen het kader van zijn ERC Consolidator Grant, een zogenaamd "proof of principle" te leveren dat men een micro-laser kan gebruiken om een enkel-fotonenbron aan te sturen, en fotonen te laten emitteren. "Niet in de laatste plaats konden we op deze manier ook twee gemeenschappen binnen de fysica verenigen: enerzijds de wetenschap rond micro-lasers en anderzijds die rond enkel-fotonenbronnen."

Het overkoepelende doel van dit experiment is onder andere het gebruik van micro-lasers in de afluisterveilige quantumcommunicatie. In het nu gepubliceerde werk bevonden de micro-laser en de enkel-fotonenbron zich in twee verschillende ruimtes — elk in een aparte cryostaat bij enkele tientallen Kelvin — en waren via een glasvezel met elkaar verbonden. "Na deze 'proof of principle' moet de volgende stap zijn om beide componenten 'on chip' te integreren. Dus micro-laser en enkel-fotonenbron niet in verschillende ruimtes, maar op hetzelfde, enkele micrometers grote chipgebied," aldus Stephan Reitzenstein.

De uitdaging bij dit experiment lag onder andere in het duidelijk bewijzen dat de bij de uitgang van het experiment gemeten fotonen ook daadwerkelijk afkomstig zijn van de enkel-fotonenbron — en niet bijvoorbeeld van de micro-laser. In de regel emitteert een kwantumpunt (enkel-fotonenbron) bij een bepaalde golflengte — bijvoorbeeld 830 nanometer — en de laser bij een andere golflengte — bijvoorbeeld 700 nanometer. In dat geval is het onderscheid tussen de fotonen relatief eenvoudig. "In ons geval moeten kwantumpunt en micro-laser echter op exact dezelfde golflengte emitteren. Probleem: de micro-laser zendt ongeveer een miljoen keer meer fotonen uit dan het kwantumpunt. Het is daarom cruciaal om aan te tonen dat de gemeten fotonen aan het einde van het experiment echt van de enkel-fotonenbron komen en niet van de laser," beschrijft Stephan Reitzenstein. Hiervoor ontwikkelde zijn promovendus Sören Kreinberg een speciale optische opbouw waarmee het mogelijk is om de fotonen op basis van hun polarisatie van elkaar te scheiden. Het laserlicht heeft bijvoorbeeld een horizontale polarisatie. Hiermee wordt het kwantumpunt aangesproken. Daartegenover emitteert het kwantumpunt onder andere ook fotonen met verticale polarisatie. "Deze filter, die alleen fotonen met een verticale polarisatie doorlaat, plaatsen we achter het kwantumpunt. Zo kunnen we duidelijk aantonen dat de gedetecteerde fotonen van het kwantumpunt afkomstig moeten zijn."

Een andere belangrijke uitdaging was het überhaupt vinden van een micro-laser, ontwikkeld en vervaardigd in samenwerking met de groep van Prof. Sven Höfling aan de Universiteit Würzburg, die een constante, gedefinieerde golflengte heeft en die bijpassende enkel-fotonenbron. "In tegenstelling tot een gewone laser heeft een micro-laser geen 'Rädchen' waarmee je de juiste golflengte kunt afstellen. Elke micro-laser zendt licht uit op een bepaalde golflengte, die van exemplaar tot exemplaar kan variëren tot wel tien nanometer. Wij hebben echter een laser nodig die 100% precies altijd dezelfde golflengte uitzendt als onze enkel-fotonenbron. Daarvoor moesten mijn medewerkers Sören Kreinberg en Tomislav Grbešić honderden micro-lasers testen en analyseren," aldus Stephan Reitzenstein. De reden waarom micro-laser en enkel-fotonenbron zo precies op elkaar moeten afstemmen, ligt in de mogelijke toepassing in de quantumcommunicatie: "Wanneer de kwantumpunt wordt aangesproken door licht met verschillende golflengten, emitteert hij ook fotonen met lichtjes verschillende eigenschappen. Deze zouden voor een potentiële quantumcommunicatie niet bruikbaar zijn."

Quantum-optische spectroscopie van een tweelagen-systeem met behulp van een elektrisch aangedreven micropilarlaser als resonante excitatiebron
Sören Kreinberg, Tomislav Grbešić, Max Strauß, Alexander Carmele, Monika Emmerling, Christian Schneider, Sven Höfling, Xavier Porte en Stephan Reitzenstein
Light: Science & Applications (2018) 7, doi: 10.1038/s41377-018-0045-6