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Main Title: Deterministisch integrierte Quantenpunkt-Wellenleiter-Halbleiterbauelemente
Translated Title: Deterministically integrated quantum dot semiconductor waveguide building blocks
Author(s): Schnauber, Peter Felix
Advisor(s): Reitzenstein, Stephan
Referee(s): Reitzenstein, Stephan
Michler, Peter
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Optische Quantenschaltkreise können realisiert werden, indem hunderte Einzelphotonenquellen, Interferometer und Detektoren durch Wellenleiter verbunden werden. Die Herstellung integrierter Wellenleiter-Einzelphotonenquellen ist Gegenstand weltweiter Forschung. In dieser Arbeit wird demonstriert, dass mit der „in-situ Elektronenstrahllithografie“ (in-situ EBL) Quantenpunkte (QPe) als Quellen einzelner und ununterscheidbarer Photonen auf deterministische Weise in Wellenleiter integriert werden können. Hierfür wird eine Belichtungstechnik entwickelt, mit welcher der in-situ EBL-Lack PMMA bei einer Temperatur von 5K eine hohe Lithografieausbeute aufweist. Es wird ein EBL Pattern Generator und eine Proximity-Korrektur für die in-situ EBL entwickelt, mit der Wellenleiter-Bauelemente mit nanometerpräzisen Details am Ort vorselektierter QPe strukturiert werden können. Anschließend werden mit der in-situ EBL einzelne QPe deterministisch in Wellenleiter U-Strukturen und Multimodeninterferenzkoppler integriert. An ihnen wird die deterministische Integration verifiziert, Wellenleiterverluste bestimmt und Strahlteilung demonstriert. In einem integrierten Experiment wird die Einzelphotonennatur der Emission eines deterministisch integrierten QPs nachgewiesen. Außerdem werden mit der in-situ EBL QPe in Bragg-Multimodenwellenleiter mit Gitterkopplern integriert und in diesem System chirale Licht-Materie-Wechselwirkung beobachtet. Dabei wird eine Superposition von gerichteter Emission aus verschiedenen Wellenleitermoden festgestellt. Als nächstes werden mit der in-situ EBL in einem deterministischen und skalierbaren top-down Verfahren einzelne QPe in hybride GaAs-Si3N4-SiO2 Wellenleiter integriert. Mit ihnen wird erstmalig die Emission einzelner und ununterscheidbarer Photonen auf einem Silizium-kompatiblen photonischen Chip demonstriert. Zuletzt wird die Emissionsenergie von QPen, welche in p-i-n Dioden eingebettet sind und deterministisch in Wellenleiter integriert wurden, mit Hilfe des Quanten-Stark-Effekt verstimmt. Zwei QPe, welche sich in einem Wellenleiter befinden, werden so in Resonanz zueinander gebracht. Zusammenfassend wurde mit Hilfe der in-situ EBL die deterministische und skalierbare Integration einzelner QPe in photonische GaAs- oder Silizium-Nitrid-Schaltkreise demonstriert und somit wellenleitergekoppelte Quellen einzelner und ununterscheidbarer Photonen mit verstimmbarer Emissionsenergie realisiert.
Quantum optical circuits can be realized by interlinking hundreds of single photon sources, interferometers and detectors through waveguides. The fabrication of waveguide-coupled single photon sources is a worldwide research topic. This work demonstrates, that with the ’in-situ electron beam lithography’ (in-situ EBL) quantum dot-based sources of single and indistinguishable photons can be deterministically integrated into waveguides. Firstly, an exposure technique is established, for which the in-situ EBL resist PMMA shows a high structure yield for lithography at a temperature of 5 K. An EBL pattern generator and a proximity correction are developed, which enable the patterning of waveguide building blocks with nanometer-precise features at the location of preselected QDs. Afterwards, the in-situ EBL is applied to deterministically integrate single QDs into waveguide U-structures and multimode interference couplers. They are used to verify the deterministic integration, measure waveguide losses and demonstrate 50/50 splitting. In an integrated experiment, the single photon nature of the emission of a deterministically integrated QD is shown. Next, using the in-situ EBL, QDs are integrated into Bragg multimode waveguides with grating couplers and chiral light-matter-interaction is observed in this system. Moreover, a superposition of directional emission from multiple waveguide modes is found. Following, QDs are integrated into hybrid GaAs-Si3N4-SiO2 waveguides in a deterministic and scalable top-down approach using the in-situ EBL. For the first time, the emission of single and indistinguishable photons on such a hybrid silicon-compatible photonic chip is demonstrated. Finally, the emission energy of QDs, which are embedded into p-i-n diodes and have been deterministically integrated into waveguides, is tuned using the quantum-confined Stark effect. This way, emission lines from two QDs inside a waveguide are brought into resonance. In summary, using the in-situ EBL, the deterministic and scalable integration of single QDs into GaAs- or silicon-nitride photonic circuits was demonstrated and thereby waveguide-coupled sources of single and indistinguishable photons with tunable emission energy were realized.
URI: UP 3150
https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/11547
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-10432
Exam Date: 7-Jul-2020
Issue Date: 2020
Date Available: 13-Oct-2020
DDC Class: 539 Moderne Physik
Subject(s): quantum dot
quantum optics
electron beam lithography
single photon sources
waveguides
Quantenpunkt
Quantenoptik
Elektronenstrahllithografie
Einzelphotonenquellen
Wellenquelle
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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