Quant µm Technologie
Die Quanten µm -Technologie (QT) ist ein spannendes Forschungsgebiet, das bereits jetzt unser Leben beeinflusst. Die Bedeutung der QT wird in den kommenden Jahren zunehmen, und nichtlineare optische (NLO) Kristalle werden eine Schlüsselrolle bei der Kommerzialisierung dieser Technologie spielen. Es wird erwartet, dass die QT in drei Hauptkategorien vielfältige Anwendung finden wird:
- Sensorik und Zeitmessung: Die extreme Empfindlichkeit von Quanten µm Systemen gegenüber Umwelteinflüssen kann genutzt werden, um physikalische Eigenschaften präziser zu messen.
- Kommunikation: Versuche, einen Quantenkommunikationskanal im µm zu beobachten, verändern den Systemzustand irreversibel und für die beteiligten Parteien erkennbar. Ein Quantennetzwerk µm kann verschränkte Photonen als „Schlüssel“ zwischen weit entfernten Nutzern verteilen, um das Abfangen der Daten zu verhindern.
- Quantencomputing: Durch die Anwendung der Prinzipien der Superposition und Verschränkung ist für bestimmte Problemtypen theoretisch eine deutliche Beschleunigung gegenüber klassischen Computern möglich. Quanten- µm -Computing verspricht eine Revolution im Computerbereich, insbesondere bei großen Datensätzen und komplexen Berechnungen.
Erste Produkte werden bereits kommerzialisiert, doch die QT-Branche steckt noch in den Kinderschuhen und wird neue Komponenten und Systeme von verschiedenen Anbietern benötigen, um eine stabile Lieferkette aufzubauen. Die Photonik wird das Herzstück dieser Lieferkette bilden, und ob es nun um die Erzeugung verschränkter Photonenpaare, die Kühlung von Atomen oder die Erzeugung stabiler µm Mikrometerbereich geht – NLO-Kristalle und -Komponenten werden dabei die Schlüsselrolle spielen.
Im Vergleich zur herkömmlichen doppelbrechenden Phasenanpassung (BPM), die in homogenen Materialien verwendet wird, bieten mikrostrukturierte QPM-Materialien die Vorteile einer einfachen kollinearen optischen Ausrichtung, eines unkritischen Winkelversatzes, des Zugangs zu den größten nichtlinearen Koeffizienten und eines hochflexiblen Gestaltungsspielraums.
Arten von nichtlinearen Kristallen
MgO-dotiertes µm (MgO:LN) verfügt aufgrund seiner weitverbreiteten Verwendung in anderen Bauteilen über eine etablierte Wafer-Lieferkette und kann periodisch gepolt werden, um die Frequenzumwandlungseffizienz zu steigern. Es besitzt den höchsten nichtlinearen effektiven Koeffizienten aller kommerziellen nichtlinearen Materialien und einen breiten Transmissionsbereich von 380 nm bis 5 µm , wodurch es sich hervorragend für die hocheffiziente Frequenzumwandlung von Dauerstrich- und Pulsquellen eignet.
Kaliumtitanylphosphat (KTP) weist eine geringere Nichtlinearität als MgO:LN auf und wird eingesetzt, wenn eine höhere Beständigkeit gegen photorefraktive Schäden erforderlich ist. KTP kann zudem periodisch polarisiert werden, um die SHG-Effizienz bei kürzeren Wellenlängen zu verbessern. Aufgrund des schmaleren Transmissionsfensters von 350 nm bis 4 µm ist seine Anwendung im mittleren Infrarotbereich jedoch begrenzt µm µm hinaus ist die Lieferkette für KTP weniger etabliert als die für MgO:LN, was zu größeren Schwankungen in der Materialqualität und höheren Kosten führt.
Beta-Bari µm Borat- (BBO) und Lithium- µm -Kristalle (LBO) µm . BBO ist bis 190 nm und LBO bis 155 nm transparent. Beide Kristalle werden in einer unpolarisierten Bulk-Konfiguration verwendet. BBO weist zwar eine höhere Nichtlinearität und eine größere Temperaturabstimmbandbreite als LBO auf, LBO hingegen hat einen kleineren Walk-off-Winkel, eine höhere Zerstörschwelle und einen größeren Abstimmbereich für Winkel und Wellenlänge. Beide Kristalltypen weisen eine deutlich geringere Nichtlinearität als Lithium- µm Niobat auf. Die Möglichkeit, große Kristalle mit sehr hohen Eingangsleistungen zu verwenden, ermöglicht jedoch den effektiven Einsatz beider Kristalltypen in größeren Frequenzumwandlungssystemen.
Die Wahl des NLO-Kristalls für eine bestimmte Anwendung hängt von der benötigten Wellenlänge, den verfügbaren p- µm -p-Quellen und dem NLO-Umwandlungswirkungsgrad ab. Bei Anwendungen mit hohem Volumenanteil im µm Bereich spielen zudem die Materialkosten und die Stabilität der Lieferkette eine Rolle. Weitere Kriterien sind die benötigte Ausgangsleistung, die Linienbreite, die Betriebstemperatur usw.
Bei der Betrachtung verschiedener Kristallmaterialien µm (LiNbO₃) aufgrund seines sehr hohen nichtlinearen Koeffizienten eine besonders attraktive Option dar. MgO :LN und KTP sind ferroelektrische Materialien, deren Domänenstruktur durch Anlegen eines elektrischen Feldes umgekehrt werden kann. Durch Anlegen eines räumlich strukturierten elektrischen Feldes, die sogenannte periodische Polung, lässt sich eine periodische Umkehr der inhärenten Polarisation im Kristall erzeugen. Dies ermöglicht die Anwendung von Quasi-Phasenanpassung, um den höchsten nichtlinearen Koeffizienten (d₃₃) zu erreichen . Diese Technik ist nicht für LBO und BBO geeignet.
Nichtlineare Frequenzumwandlungsprozesse
NLO-Kristalle ermöglichen Frequenzumwandlung mittels verschiedener Mechanismen im µm und sind daher eine sehr flexible Lösung zur Erzeugung schmalbandiger, hochqualitativer und stabiler Lichtquellen über ihr gesamtes Transmissionsfenster. Diese Flexibilität, kombiniert mit der Verfügbarkeit kommerzieller Quellen aus der Telekommunikationsbranche, macht sie ideal für Wellenlängen, die in der Quantentransformation (QT) von Interesse sind. Das folgende Diagramm zeigt einige Zielwellenlängen, die für relevante atomare Übergänge erzielt werden können.
Die Prozesse umfassen:
Die Frequenzverdopplung ( auch: Frequenzverdopplung) ist der am häufigsten verwendete nichtlineare Prozess zweiter Ordnung. Bei der Frequenzverdopplung werden zwei p- µm -Photonen mit der gleichen Wellenlänge λ P</sub> durch einen nichtlinearen Prozess kombiniert, um ein drittes Photon mit der Wellenlänge λ <sub>SHG , wobei λ<sub> SHG</sub> = λ<sub> P</sub> /2 (oder, ausgedrückt in der Frequenz, f<sub> SHG = 2f<sub> P</sub> ) gilt. NLO-SHG-Kristalle können mit QPM-Gitterperioden hergestellt werden, die für einen breiten Bereich kommerziell erhältlicher p- µm -Laserwellenlängen von 976 nm bis 3300 nm geeignet sind und die Erzeugung von frequenzverdoppeltem Licht zwischen 488 nm und 1550 nm ermöglichen.
Die S µm -Frequenzerzeugung (SFG) kombiniert zwei Eingangsphotonen mit den Wellenlängen λ<sub> P</sub> und λ <sub>S</sub> zu einem Ausgangsphoton mit der Wellenlänge λ <sub>SFG</sub> , wobei λ <sub>SFG</sub> = (1/λ P </sub> + 1/λ<sub> S</sub> ) - 1 (oder, ausgedrückt in Frequenzen, f <sub>SHG</sub> = f P</sub> + S µm mit fester Wellenlänge (z. B. 1550 nm) und abstimmbaren Laserquellen (z. B. 780/810 nm) können NLO-SFG-Kristalle abstimmbares Ausgangslicht im Bereich von 500–700 nm erzeugen.
Die Differenzfrequenzerzeugung (DFG) tritt auf, wenn zwei Eingangsphotonen mit den Wellenlängen λ<sub> P</sub> und λ<sub> S </sub> auf einen Kristall treffen. Das niederfrequente Signalphoton λ<sub> S </sub> regt das p µm -Photon λ<sub> P </sub> zur Emission eines Signalphotons λ<sub> S und eines Idlerphotons mit der Wellenlänge λ i , wobei λ <sub>i = (1/λ <sub>P</sub> – 1/λ <sub>S</sub> )<sup>-1</sup> (oder frequenzmäßig f <sub>i</sub> = f P</sub> – f<sub> S </sub>). Dabei verlassen zwei Signalphotonen und ein Idlerphoton den Kristall, was zu einem verstärkten Signalfeld führt. Dies wird als optische parametrische Verstärkung (OPA) bezeichnet. Durch die Platzierung des nichtlinearen Kristalls in einem optischen Resonator, auch optischer parametrischer Oszillator (OPO) genannt, lässt sich die Effizienz deutlich steigern. NLO-DFG-Kristalle können so konstruiert werden, dass sie mit gängigen festen und abstimmbaren p µm p Wellenlängen (z. B. 1064/1550/775 nm) arbeiten, um einen breiten, kontinuierlichen Abstimmbereich vom nahen Infrarot bis über 4,5 µm im mittleren Infrarot abzudecken.
Für quantitative µm Anwendungen relevante Wellenlängen
Die besondere Struktur der Alkalimetallatome bildet die Grundlage für Präzisionsspektren, Laserkühlung und -fallen von Atomen, Atominterferometer und Atomfrequenznormale. Unter diesen Atomen wurden µm (Rb), Caesi (Cs), µm (Be), µm (Ba) und µm (Sr) detailliert untersucht. NLO-Kristalle werden am häufigsten in Quantenoptiksystemen im µm eingesetzt, wo Laser mit schmaler Linienbreite benötigt werden, um spezifische Atomübergänge anzuregen und Atome und Ionen zu manipulieren und zu kühlen µm wenn Diodenlaser nicht die erforderliche Leistung, Linienbreite, Strahlqualität oder Wellenlänge liefern oder nicht ohne Weiteres verfügbar sind.
NLO-Kristalle stellen in diesen Systemen eine sehr attraktive Option dar, da sie präzise auf die erforderliche Ausgangsleistung und Wellenlänge ausgelegt werden können. Sie sind zudem attraktiv, da sie auf einer bestehenden Lieferkette aufbauen, in der p- µm -p-Quellen aufgrund kommerziell erhältlicher Telekommunikationslaser kostengünstig sind. Somit lässt sich eine Ausgangsleistung im Wattbereich bei präzisen Wellenlängen durch Wellenlängenkonversion mittels NLO-Kristallen problemlos erzielen.
Die erzeugten Wellenlängen können entweder die Zielwellenlänge für den gewünschten atomaren Übergang oder ein Zwischenzustand sein, der dann durch einen anderen Kristall weiter umgewandelt wird, z. B. ergibt die Kombination von 1051 nm und 1550 nm in MgO:PPLN eine Ausgabe von 626 nm, die dann durch BBO auf 313 nm verdoppelt wird.2
Beispiele für die Verwendung von NLO-Kristallen in Quanten- µm -Anwendungen
Atomkühlung und -speicherung . Die Laserkühlung und -speicherung ist die Technologie, um Atome auf nahezu den absoluten Nullpunkt abzukühlen und sie in den Speicherzellen einzuschließen und zu stabilisieren. Die Atome im Grundzustand können Quanteninformationen im µm , und Wechselwirkungen über größere Distanzen zwischen hoch angeregten Rydberg-Atomen sind für den erfolgreichen Betrieb vieler Quanteninformationsprotokolle µm in der µm .
Die hohe Präzision und Skalierbarkeit der Atominterferometrie ermöglichen eine empfindlichere Detektion von Strukturen, z. B. kleinerer Größe oder größerer Tiefe. Viele Anwendungen der Atomoptik erfordern eine hohe Laserleistung bei gleichzeitig schmaler Linienbreite und hoher räumlicher Strahlqualität. Beispielsweise ist die Erzeugung von 780 nm aus einer 1560-nm-Quelle (SHG) für die magneto-optische Falle (MOT) von Rubidiumatomen in Anwendungen der Kaltatominterferometrie wie der gravimetrischen Sensorik und Atomuhren notwendig.3
In diesen Anwendungen können handelsübliche Telekommunikationslaser (COTS) mit einer Wellenlänge von 1560 nm effizient auf 780 nm frequenzverdoppelt werden, wobei für Wellenleiterlösungen Umwandlungswirkungsgrade von bis zu 70 % erreicht wurden⁴ . Die Kombination von COTS-pµm µm p-Laserkomponenten mit einem Frequenzverdopplerkristall ermöglicht die kostengünstige Erzeugung sowohl der benötigten 780-nm-Leistung als auch der schmalen Linienbreite, die für die Rb-Atomfalle erforderlich sind.
Quanten µm -Schlüsselverteilung (QKD) . Quanten- µm -Schlüssel werden für die sichere Datenübertragung verwendet. Sie ermöglichen es zwei Parteien, einen gemeinsamen, nur ihnen bekannten, zufälligen Geheimschlüssel zu erzeugen, der zum Ver- und Entschlüsseln von Nachrichten verwendet werden kann. Die bidirektionale Konversion von 422 nm <-> 1550 nm (SFG/DFG) ermöglicht die QKD. Diese Anwendung erfordert eine effiziente Konversion zwischen den kurzwelligen atomaren Übergängen, die für Ionenfallen-Qubits verwendet werden, und dem Telekommunikations-C-Band für verlustarme Glasfaserübertragung. Der Einsatz speziell entwickelter PPLN-Kristalle hat sowohl die Aufwärts- als auch die Abwärtskonversion auf Einzelphotonenebene zwischen 422 nm (Sr+-Emission) und 1550 nm demonstriert. Dies stellt somit eine entscheidende Komponente für den Aufbau großflächiger Quanten- µm µm Netzwerke
Quantenmikrometer µm Netzwerke ermöglichen die µm -Bereich. Diese Anwendung erfordert eine effiziente Konvertierung zwischen den kurzwelligen atomaren Übergängen, die für Ionenfallen-Qubits genutzt werden, und dem
Telekommunikations-C-Band für verlustarme Glasfaserübertragung. Der Einsatz speziell entwickelter PPLN-Kristalle hat sowohl die Aufwärts- als auch die Abwärtskonvertierung auf Einzelphotonenebene zwischen 422 nm (Sr+-Emission) und 1550 nm demonstriert. Dies stellt eine entscheidende Komponente für den Aufbau großflächiger Quantenmikrometer- µm dar.
Abschluss
NLO-Kristall-basierte Lasersysteme werden in vielen Anwendungen im µm eingesetzt. Der MgO:PPLN-Kristall weist den höchsten effektiven nichtlinearen Koeffizienten unter den kommerziellen NLO-Kristallen auf und ist daher die erste Wahl für Anwendungen im Bereich von 380 nm bis 5 µm. Für Anwendungen, die sehr hohe Leistungen (z. B. >3 W CW bei 532 nm) oder Wellenlängen außerhalb des optischen Bereichs erfordern, können jedoch KTP-, BBO- und LBO-Kristalle verwendet werden.
Die nichtlineare Frequenzerzeugung ist eine effiziente Methode, um gewünschte Ausgangswellenlängen mit geringem Phasenrauschen, hoher Strahlqualität und schmaler Linienbreite für die Quantentransformation (QT) zu erzielen. Als führender Anbieter von PPLN-basierten Wellenlängenkonversionsprodukten bietet Covesion kundenspezifische Beratung sowie technischen Support bei Einrichtung, Anwendung und Optimierung. Mit einem umfangreichen Portfolio an COTS-Produkten (siehe Abbildung unten) und der Möglichkeit zur kundenspezifischen Entwicklung und Fertigung von Sonderanfertigungen ist Covesion Ihr idealer Partner für ein breites Spektrum an Wellenlängenkonversionsanwendungen.
Referenzen
- M. Odstrcil et al., „Nichtlineare ptychographische kohärente diffraktive Bildgebung“, Optics Express, S. 20245-20252, 2016.
- Hsiang-Yu Lo et al., „Vollständige Festkörperlasersysteme für die Ionisierung, Kühlung und µm von Berylli- µm Ionen“, Applied Physics B, Band 114, S. 17-25, 2014.
- Diviya Devani et al., „Schwerkraftmessung: Kalte Atomfalle an Bord eines 6U CubeSat“, CEAS Space Journal, Bd. 12, S. 539–549, 2020.
- Sam A. Berry, et al, „Zn-indiffusionierte würfelförmige Wellenleiter in MgO:PPLN erzeugen 1 Watt 780 nm SHG bei 70% Effizienz“, OSA Continu µm , Bd. 2, Nr. 12, S. 3456-3464, 2019.
- Thomas A. Wright, et al, „Zwei-Wege-Photonikschnittstelle zur Verknüpfung des Sr+-Übergangs bei 422 nm mit der Telekommunikation“, Phys. Rev. Applied, Bd. 10, S. 044012, 2018.
