SINPHOSS

Single Photon Random Sampling Scope

Schnelle Lichtsignale für die Kommunikation, Medizin und Materialbearbeitung

Licht ist Träger von Information und Energie. Licht ist gleichzeitig ein Werkzeug naturwissen-schaftlicher Forschung und ein Baustein von Hochtechnologien. Schnelle verarbeitete Licht-signale sorgen dafür, dass wir heute über das Internet Informationen in Echtzeit abrufen können. Kurze Laserpulse ermöglichen hochgenaue automatisierte Fertigung. Sie ermögli-chen uns mit einer Genauigkeit von wenigen Mikrometern, also einem Bruchteil der Breite eines Haares, zu Schneiden, zu Schweißen und zu Gravieren. In der Laserchirurgie werden kurze Laserpulse verwendet, um minimalinvasive Operationen an Haut und Augen durchzu-führen. Mit der Verfügbarkeit immer schnellerer optischer Datenkommunikation und immer kürzeren Laserpulsen wächst der Bedarf für eine optische Messtechnik, die es ermöglicht solche schnellen Lichtsignale und ihre Eigenschaften, die für die genannten Anwendungen von kritischer Wichtigkeit sind, mit höchster Zeitauflösung zu messen.

Quantendetektoren messen einzelne Lichtteilchen mit hoher Präzision

Wir entwickeln eine innovative optische Messtechnologie, die sich die hochgenaue Detektion einzelner Lichtteilchen, einzelner Photonen, zunutze macht. Dazu bauen wir neuartige Quan-tendetektoren. Unsere Einzelphotonendetektoren basieren auf einem hauchdünnen Draht, der bei tiefen Temperaturen supraleitend wird, also keinen messbaren elektrischen Wider-stand mehr aufweist. Der supraleitende Zustand ist hochsensibel. Schon ein einzelnes Licht-teilchen hat genug Energie, um den supraleitenden Zustand zu zerstören und ein messbares elektrisches Signal zu erzeugen. Um den Zeitpunkt eines eintreffenden Lichtteilchens sehr genau zu bestimmen, benötigen wir noch eine Elektronik, die in der Lage ist elektrische Sig-nale mit einer Genauigkeit von einigen hundert Femtosekunden zu erfassen. Diese entwi-ckeln wir in Form eines integrierten elektronischen Schaltkreises in modernster Halbleiter-technologie. Diese Sensitivität auf einzelne Photonen und schnelle Signalverarbeitung erge-ben eine Messtechnologie, die in der Lage ist Lichtsignale mit Frequenzen bis zu einem THz zu messen. 1 THz ist etwa das 1000-fache der Betriebsfrequenz der schnells-ten heute verfügbaren Computerchips. Der besondere Vorteil unserer Technolo-gie ist, dass sie nicht nur sehr schnell, sondern auch hochsensibel ist. Die schnelle Detektion einzelner Photonen ermöglicht viele neue Anwendungen. Da wir einzelne Lichtteilchen detektieren, können wir auch sehr schwache Lichtsig-nale bei höchsten Frequenzen vermes-sen, etwa das schwache Streulicht, das beim Laserschneiden erzeugt wird. Die-ses Licht enthält eine Fülle von Informati-onen über den Schneideprozess. Diese Technologie erlaubt es so zum ersten Mal Prozesse in der Lasermaterialbearbeitung im Detail zu verstehen und feinere, schnellere und besser kontrollierte Ver-fahren zu entwickeln. Unsere Messtech-nologie ermöglicht Wissenschaftlern in der optischen Datenkommunikation schnelle schalt-bare Laser und Lichtmodulatoren zu entwickeln, die Daten mit Bandbreiten weit über den heute verfügbaren 100 Gbit/s übertragen können. Auch schwache Störsignale, die an un-sichtbaren Defekten in optischen Glasfaserkabeln entstehen und die Datenübertragung be-einträchtigen, können so detektiert werden. Darüber hinaus sind die entwickelten schnellen Einzelphotonendetektoren und integrierte Elektronik für Anwendungen in der Quantentech-nologie von großer Bedeutung. Die Detektion einzelner Photonen mit hoher Zeitauflösung verbessert die Datenrate bei der Quantenkommunikation und beschleunigt Quantenalgorith-men in Quantencomputern, die auf Basis von photonischen Qubits arbeiten.

Ansprechpartner

Dipl.-Phys.Gerhard Funke
+49 211 6214-627

Projektdetails

Koordinator

Dr.Helmut Fedder
Swabian Instruments GmbH
Stammheimer Str. 41, 70435Stuttgart
0711 400 479 0

Projektvolumen

2.046.044 EUR (64,8 % Förderanteil durch das BMBF)

Projektdauer

01.09.2020 - 31.08.2023

Projektpartner

Swabian Instruments GmbHStuttgart
Westfälische Wilhelms-Universität MünsterMünster