„Silizium und Einzelphotonenquellen im Telekommunikationsbereich waren lange der ‚missing link‘ für die zügige Weiterentwicklung der Quantenkommunikation per Glasfaser. Jetzt haben wir die nötigen Voraussetzungen geschaffen“, erläutert Dr. Yonder Berencén vom HZDR-Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung, der die aktuelle Studie leitet. In anderen Materialien wie Diamant wurden Einzelphotonenquellen zwar schon gefertigt. Aber nur siliziumbasierte Quellen erzeugen Lichtteilchen mit der passenden Wellenlänge, um sich in Glasfasern auszubreiten – ein erheblicher Vorteil für die Praxis.

Den technischen Durchbruch erzielten die Forscher*innen, indem sie anstelle der üblichen Trockenätztechniken für die Verarbeitung von Silizium auf einem Chip eine Nassätztechnik wählten: das sogenannte metallunterstützte chemische Ätzen (MacEtch; metal-assisted-chemical etching). Die bisher eingesetzten Methoden, mit denen photonische Strukturen aus dem Silizium herausgearbeitet werden können, setzen hochreaktive Ionen ein. Diese Ionen rufen Defekte im Silizium hervor. Nur sind diese Störungen zufällig verteilt und überlagern das gewünschte Signal durch Rauschen. Das metallunterstützte chemische Ätzen ist von solchen Strahlungsschäden nicht betroffen – hier wird das Material stattdessen unter einer Art Metallmaske chemisch weggeätzt.

Das Ziel: Einzelphotonenquellen, kompatibel zum Glasfasernetz

Mit der MacEtch-Technik stellten die Forscher*innen zunächst die einfachste Form eines möglichen Lichtemitters her: Nanosäulen aus Silizium auf einem Chip. Die fertigen Nanosäulen beschossen sie anschließend, genau wie bei einem massiven Silizium-Block, mit Kohlenstoffionen und erzeugten so Photonenquellen in den Säulen. Mit der neuen Ätztechnik lassen sich auch Größe, Abstand und Flächendichte der Nanosäulen präzise steuern und kompatibel zu modernen photonischen Schaltkreisen einstellen. Pro Quadratmillimeter Chip leiten und bündeln tausende Silizium-Nanosäulen das Licht der Quellen, indem sie es vertikal durch die Säulen führen.

Den Durchmesser der Säulen variierten die Forscher*innen, denn: „Wir hatten gehofft, so in ausreichend dünnen Säulen durch den Kohlenstoffbeschuss nur einzelne Defekte zu platzieren und tatsächlich eine Einzelphotonenquelle pro Säule zu erhalten“, erläutert Berencén. „Das ist uns im ersten Versuch nicht perfekt gelungen. Unser Kohlenstoffbeschuss war selbst für die dünnsten Säulen im Vergleich noch etwas zu hoch dosiert. Aber zu den Einzelphotonenquellen ist es jetzt nur noch ein kleiner Schritt.“

Ein Schritt, an dem das Team bereits intensiv arbeitet, denn mit der neuen Technik hat eine Art Rennen um zukünftige Anwendungen begonnen. „Mein Traum ist es, alle elementaren Bausteine – von der Einzelphotonenquelle über photonische Elemente bis zum Einzelphotonendetektor – auf einem einzigen Chip zu integrieren und viele Chips dann zu einem modularen Quanten-Internet zu vernetzen“, so Berencén.

Publikationen:

M. Hollenbach, N. S. Jagtap, C. Fowley, J. Baratech, V. Guardia-Arce, U. Kentsch, A. Eichler-Volf, N. V. Abrosimov, A. Erbe, C.Shin, H. Kim, M. Helm, W. Lee, G. V. Astakhov and Y. Berencén: Metal-assisted chemically etched silicon nanopillars hosting telecom photon emitters, Journal of Applied Physics, 2022 (DOI: 10.1063/5.0094715)
M. Hollenbach, Y. Berencén, U. Kentsch, M. Helm, G. Astakhov: Engineering telecom single-photon emitters in silicon for scalable quantum photonics, Optics Express, 2020 (DOI: 10.1364/OE.397377)