Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8306
Main Title: Deterministically fabricated, quantum dot based single-photon sources for quantum information technologies
Translated Title: Deterministisch erzeugte, quantenpunktbasierte Einzelphotonenlichtquellen für Quanteninformationstechnologien
Author(s): Fischbach, Sarah
Advisor(s): Reitzenstein, Stephan
Referee(s): Reitzenstein, Stephan
Rastelli, Armando
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: First experimental demonstrations proved the potential of quantum information technologies, which in many cases choose the polarization characteristics of single photons to process and transport quantum states. The security of such systems crucially relies on the availability of on-demand single-photon sources. Semiconductor quantum dots demonstrate to be excellent sources of quantum light, which in the scope of this work are integrated into microlenses, using a deterministic processing technique. To create efficient plug-and-play sources based on this concept, several further steps need to be taken. This work presents means to increase the photon-extraction efficiency of quantum dot based microstructures, a method to achieve a tunability of the emission wavelength by strain transfer and introduces a fiber-coupling approach. The quantum dots are chosen by their cathodoluminescence signal and precisely integrated into microstructures with a high yield, using a method called in-situ electron-beam lithography. By a combination of a backside mirror with a mesa or lens with an adjusted geometry, an increased photon-extraction efficiency can be achieved as compared to bulk structures. Optimum design parameters are found by the use of finite-element simulations. Depending on the numerical aperture of the collection optics, theoretically extraction efficiencies of up to 80 % can be achieved into a numerical aperture of 1.0. By development and application of a thermocompression gold-bonding step, quantum dot microstructures are combined with a backside gold mirror to create sources with measured efficiencies of up to (20 ± 2) %. The same bonding technique can be used to mount a quantum dot sample onto a piezoelectric actuator, which allows for a strain transfer to the emitter. In that way, the emission wavelength of a quantum dot microlens can be altered by 1.7 nm using an externally applied voltage. To further enhance the collected amount of the quantum dot luminescence, microobjectives written by two-photon direct laser writing can be combined with quantum dot microlenses. In that way, a photon-extraction efficiency of (40 ± 4) % is achieved while increasing the excitation efficiency by around one order of magnitude. Finally, a direct coupling of the emission into a single-mode fiber is presented by the use of a combination of microobjectives and a fiber mount created by direct laser writing. In future experiments such fiber-coupled samples could be combined with electrical contacts to create a stand-alone single-photon source which solely relies on an external power supply. This thesis gives a thorough introduction to the required methods for the fabrication of quantum dot based microstructures, presents a theoretical evaluation of the design concepts and demonstrates improvements and new features, which show that quantum dot microlenses serve as tunable and efficient sources of single-photons or entangled photon pairs for quantum information applications.
Das große Potential der Quanteninformationstechnologie kann bereits durch erste experimentelle Realisierungen demonstriert werden, welche zumeist die Polarisationseigenschaften einzelner Photonen für die Verarbeitung und Übertragung von Quantenzuständen verwenden. Die Datensicherheit solcher Systeme basiert entscheidend auf der Verfügbarkeit von triggerbaren Einzelphotonenquellen. Als exzellente Quantenlichtquellen haben sich Halbleiter-Quantenpunkte erwiesen, die im Rahmen der vorliegenden Arbeit unter Verwendung einer deterministischen Prozessierungstechnologie in Mikrolinsen integriert werden. Um auf Basis dieses Konzepts effiziente und marktfähige Quellen herstellen zu können, müssen noch weitere Entwicklungsschritte für den praktischen Einsatz erreicht werden. Diese Arbeit zeigt Möglichkeiten zur Erhöhung der Photonen-Auskopplungseffizienz Quantenpunkt-basierter Mikrostrukturen, eine Methode zur Feinjustierung der Emissions-Wellenlänge durch Verspannungseintrag, sowie einen Ansatz zur Faserkopplung der Emission. Unter Verwendung der sogenannten in-situ Elektronenstrahllithographie werden die Quantenpunkte anhand ihrer Kathodolumineszenz ausgewählt und mit hoher Positioniergenauigkeit und Prozessausbeute in Mikrostrukturen integriert. Im Vergleich zu Emittern im einfachen planaren Halbleiter kann durch eine Kombination aus rückseitigem Spiegel und einer Mesa oder Linse mit angepasster Geometrie eine deutliche Erhöhung der Auskopplungseffizienz erreicht werden. Mithilfe von Simulationen basierend auf der Finite-Elemente-Methode können optimale Designparameter für diese Strukturen gefunden werden. Abhängig von der numerischen Apertur (NA) der Sammeloptik lassen sich theoretisch Auskopplungseffizienzen von bis zu 80 % bei einer NA von 1,0 ermöglichen. Durch Entwicklung und Anwendung eines Goldbonding-Schritts mittels Thermokompression werden Quantenpunkt-Mikrostrukturen mit einem rückseitigen Goldspiegel versehen, sodass Quantenlichtquellen mit einer gemessenen Effizienz von bis zu (20 ± 2) % bei einer NA von 0,4 realisiert werden. Die gleiche Bond-Technik kann verwendet werden, um eine Quantenpunktprobe mit einem piezoelektrischen Aktuator zu verbinden, sodass ein direkter Verspannungsübertrag auf den Emitter erfolgen kann. Hierdurch wird die Emissionswellenlänge einer Quantenpunkt-Mikrolinse kontrolliert über eine extern angelegte Spannung um 1,7 nm verstimmt. Um die Effizienz, mit der die Quantenpunkt-Emission eingesammelt wird, weiter zu erhöhen, werden Mikroobjektive mithilfe des Zwei-Photonen Laserstrahlschreibens mit Quantenpunkt-Mikrolinsen kombiniert. Hierdurch kann eine Auskopplungseffizienz von (40 ± 4) % bei gleichzeitiger Erhöhung der Anregungseffizienz um etwa eine Größenordnung erreicht werden. Darüber hinaus wird ein Ansatz zur direkten Kopplung der Emission einer Quantenpunkt-Mikrolinse in eine Single-Mode Glasfaser präsentiert. In Kombination mit einer elektrischen Kontaktierung der Struktur kann dies in zukünftigen Experimenten die Verwendung der Quantenpunkt-Mikrolinsen als Quelle einer „stand-alone“ Einzelphotonenlichtquelle ermöglichen, die zum Betrieb lediglich eine externe Stromzufuhr benötigt. Die vorliegende Arbeit gibt eine detaillierte Einführung in die benötigten Methoden für die Herstellung von Quantenpunkt-basierten Mikrostrukturen, zeigt eine theoretische Evaluierung des verwendeten Design-Konzepts und präsentiert Verbesserungen und Erweiterungen auf dem Weg zu einer marktfähigen Einzelphotonenquelle. Im Rahmen der Arbeit kann so gezeigt werden, dass deterministisch hergestellte Quantenpunkt-Mikrolinsen sehr gut als spektral durchstimmbare und effiziente Quellen für einzelne Photonen oder verschränkte Photonenpaare für Anwendungen in der Quanteninformationstechnologie geeignet sind.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/9223
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8306
Exam Date: 22-Feb-2019
Issue Date: 2019
Date Available: 29-Apr-2019
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): single-photon sources
quantum cryptography
photon
quantum dot
nanophotonics
Einzelphotonenemitter
Quantenkryptographie
Quantenpunkt
Nanophotonik
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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