Entwicklung einer autark operierenden Plug-and-Play-Einzelphotonenemittereinheit
Schlehahn, Alexander
Durch die stetige Entwicklung von Anwendungsmöglichkeiten der Quantentechnologie steigt auch die Nachfrage nach effizienten und qualitativ hochwertigen Quellen einzelner Photonen, welche den Grundstein vieler dieser praktischen Konzepte bilden. Daher wird im Rahmen dieser Arbeit die Entwicklung einer kältemittelunabhängigen, fasergekoppelten Einzelphotonenemittereinheit, basierend auf InGaAs-Quantenpunkten, dargestellt. Hierfür werden zunächst die Grundlagen von nicht-klassischem Licht und dessen Emission durch Quantenpunkte beschrieben. Ferner wird auf die Lichtauskopplung aus Halbleitern und die Lichtführung in Glasfasern eingegangen, bevor die experimentellen Methoden zur Charakterisierung der Emitter erläutert werden. Um eine Übersicht über relevante Quellen auf Quantenpunktbasis zu geben und deren Tauglichkeit für einen Plug-And-Play-Einzelphotonendemonstrator zu prüfen, werden die spektralen und statistischen Eigenschaften von Bauteilen mit vergrabenem Verspannungszentrum, Mikrosäulenresonatoren und optisch bzw. elektrisch angeregten Mikrolinsen verglichen. Es wird beobachtet, dass alle Quellen bei Anregungsfrequenzen von einigen hundert Megahertz und teilweise sogar bis in den Gigahertzbereich Einzelphotonenemission zeigen können, sich aber Mikrolinsen wegen ihrer breitbandig erhöhten Auskoppeleffizienz von bis zu 29% als vielversprechendste Kandidaten für eine Faserkopplung und Integration in den Demonstrator erweisen. Der wichtigste Schritt zur praktischen Verwendung von Quantenpunkten ist es, die Unabhängigkeit von jeglicher Kältemittelversorgung zu gewährleisten. Daher wird im anschließenden Kapitel gezeigt, dass die Charakterisierung und der Nachweis einzelner Photonen auch mit einem kompakten Stirlingkühler mit einer Basistemperatur von 29K durchgeführt werden können. Der direkte Vergleich von Autokorrelationsmessungen des selben Quantenpunktzustands im konventionellen Helium-Flusskryostat und im Stirlingkryostat weist nahezu identische g(2)(0)-Werte von 0,03 bzw. 0,04 auf. Darauffolgend wird erläutert, wie eine unmittelbare Glasfaserankopplung von Quantenpunktstrukturen realisiert werden kann, die Umsetzung beider präsentierter Methoden - ein selbstzentrierendes Steckprinzip und eine Ansatz durch Verkleben der Komponenten - wird dargelegt und Vor- und Nachteile werden diskutiert. Der zweite Ansatz wird anschließend zur Demonstration von Einzelphotonenemission aus statistisch gekoppelten Quantenpunkten verwendet. In einem finalen Schritt, werden alle einzeln präsentierten Komponenten zu einer alleinstehenden Einzelphotonenemittereinheit zusammengefügt. Dieser Demonstrator besitzt einen optisch angeregten, an eine mehrmodige Glasfaser gekoppelten Emitter in einer Mikrolinsenstruktur, welcher von einem Stirlingkühler auf 40K gekühlt wird. Die gesamten Teile, welche zur Generation der einzelnen Photonen benötigt werden, sind in einen kompakten und variabel einsetzbaren 19”-Messrackeinschub integriert. Die Einzelphotonenemission steht dem Nutzer direkt über einen Glasfaseranschluss zur Verfügung. Dieses Ergebnis stellt einen wichtigen Schritt bei der Entwicklung praktisch einsetzbarer und qualitativ hochwertiger Einzelphotonenemittereinheiten dar und demonstriert das große Potenzial dieses Ansatzes, die gemeinhin genutzten, abgeschwächten Laserquellen durch reale Einzelphotonenquellen zu ersetzen.
The on-going development of applications for quantum technology also continuously increases the demand for efficient, high-quality sources of single photons, which form the basis for many of these practical concepts. Therefore, within this work, the development of a cryogen-independent, fiber-coupled single-photon-sourcing unit, based on InGaAs quantum dots, is shown. First, the basics of non-classical light and its emission by quantum dots is described. Moreover, light extraction from semiconductors and light guiding in glass fibers is explained before the experimental methods for characterizing the emitters are shown. In order to provide an overview of relvant quantum-dot sources and to examine their suitability for a plug-and-play single-photon demonstrator, spectral and statistical properties of structures with buried stressors, micropillar resonators and optically and electrically driven microlenses are compared. One can observe that all sources show single-photon emission at excitation frequencies of a few hundred megahertz, partially up to the gigahertz scale, but, as they provide broadband enhancement of the outcoupling efficiency of up to 29 %, microlenses are the most promising candidates for fiber-coupling and integration into a demonstrator. The most important step towards the practical use of quantum dots is to achieve independence from any cryogen supply. Thus, the following chapter shows that the characterization and the observation of single photons can also succeed with a compact Stirling-cryocooler with a base temperature of 29 K. A direct comparison of autocorrelation measurements obtained from the same quantum-dot state placed inside a conventional flow cryostat and inside a Stirling cryostat shows almost identical g(2)(0)-values of 0.03 and 0.04. Subsequently, it is explained how a direct fiber coupling of quantum-dot structures can be realized, the implementation of both presented methods - a self-centering stacking principle and an approach based on glueing the components together - is shown and the pros and cons are discussed. The second approach is used to demonstrate single-photon emission from statistically coupled quantum dots. Within a final step, all presented components are assembled to form a stand-alone single-photon-sourcing unit. This demonstrator includes an optically driven emitter embedded within a microlens structure, coupled to a multi-mode fiber, and cooled by a Stirling-cryocooler to 40 K. All parts which are necessary for the generation of single photons are integrated into a compact and variably insertable 19” rack drawer. Single-photon emission is provided directly to the user by a fiber port. This result presents an important step towards the development of practically applicable single-photon-sourcing units with high quality and demonstrates this approach’s great potential to replace commonly used, attenuated laser sources by real single-photon emitters.
