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Untersuchungen an Quantenpunkt-basierten nanophotonischen Strukturen mittels photonenzahlauflösender Detektoren

Schmidt, Marco

AG Optoelektronik und Quantenbauelemente

Nichtklassische Lichtquellen sind wichtige Komponenten für die zukünftige Realisierung von optischen Quantencomputern, Quantenkommunikationsnetzwerken und Anwendungen in der Quantenmetrologie. Besonders hervorzuheben sind Quantenlichtquellen auf der Basis von Halbleiter-Quantenpunkten zur Erzeugung von einzelnen ununterscheidbaren Photonen, Zwillingsphotonen-Zuständen oder polarisationsverschränkten Photonenpaaren. Zusätzlich erlaubt die fortgeschrittene Halbleitertechnologie die deterministische Integration einzelner Quantenpunkte in photonische Strukturen. In ähnlicher Weise sind quantenpunktbasierte Mikrosäulenlaser sowohl für die Grundlagenforschung auf dem Gebiet der Quantenelektrodynamik in Resonatoren als auch für zukünftige Anwendungen in der Datenübertragung aufgrund ihrer mikroskopischen Abmessungen, ihrer hohen Modulationsbandbreite und ihres geringen Energieverbrauchs von großem Interesse. Die Charakterisierung von Quantenemitter hinsichtlich ihrer Photonenstatistik wird in der Quantenoptik typischerweise durch die Messung der normalisierten Photonen-Autokorrelationsfunktion zweiter Ordnung g(2)(Ƭ) bestimmt, jedoch nur der vollständige Zugang zur Photonenzahlverteilung ermöglicht einen tieferen Einblick in die physikalischen Prozesse der Lichtentstehung. Vor diesem Hintergrund werden in der vor liegenden Arbeit erstmalig photonenzahlauflösende Detektoren zur Charakterisierung von quantenpunktbasierten nanophotonischen Strukturen verwendet. Die Detektoren sind supraleitende Übergangskantensensoren, die wiederum von supraleitenden Quanteninterferenzdetektoren ausgelesen werden. Zum Betrieb der Detektoren wird eigens ein adiabatischer Entmagnetisierungskryostat aufgebaut, um die Detektormodule auf eine Temperatur von 6 100mK zu kühlen. Die einzelnen Detektorkanäle besitzen eine Detektionseffizenz von > 87%. In einem nächsten Schritt wird das aufgebaute photonenzahlauflösende Detektorsystem zur Charakterisierung eines quantenpunktbasierten Mikrosäulenlasers eingesetzt. Zwei Detektorkanäle detektieren gleichzeitig die Lichtemission von zwei orthogonalen Komponenten der fundamentalen Emissionsmode eines bimodalen Mikrosäulenlasers. Das angewandte experimentelle Schema bietet dabei einen beispiellosen Zugang zur gemeinsamen Photonenzahlverteilung und ermöglicht einen tiefen Einblick in die Dynamik und Photonenstatistik der Modenkomponenten, die durch das gemeinsame Verstärkungsmedium gekoppelten sind. Insbesondere decken dabei die photonenzahlauflösenden Messungen eine optische Bistabilität der gegensätzlich korrelierten Modenkomponenten auf, die sich in einem zeitlichen Schalten zwischen kohärenter und thermischer Lichtemission äußert. Des Weiteren wird mit dem photonenzahlauflösenden Detektorsystem die direkte Messung von Zweiphotonen-Zuständen einer energetisch entarteten Quantenpunkt-Biexztion-Exziton-Kaskade möglich. Das Experiment motiviert dazu, diese spezielle Konfiguration der Biexziton-Exziton-Kaskade durch einen Abstimmmechanismus zur realisieren. Die gewählte Methode ist dabei die Veränderung der elektronischen Bandstruktur durch einen mechanischen Spannungsübertag auf das Quantenpunkt-Halbleitermaterial. Mit diesem Verfahren ist es ebenfalls möglich, die Bindungsenergie und die Feinstrukturaufspaltung nahezu aufzuheben, was zur Erzeugung verschränkter Photonen unabdingbar ist. In einem finalen Schritt werden Quantenpunkte in Mikrolinsen integriert, um die Photonenauskoppeleffizienz zu erhöhen. In Kombination mit der Methode des mechanischen Spannungsübertrags ermöglicht es die Herstellung einer spektral abstimmbaren, hocheffizienten Einzelphotonenquelle. Um die zukünftige Anwendung dieser Technologie beispielsweise zur Verschränkungsvertauschung in einem Quantenrepeaternetzwerk zu demonstrierten, wird die Möglichkeit aufgezeigt, die Emissionslinien verschiedener Quantenpunkte so zu verstimmten, dass sie sich in Resonanz zueinander befinden. Eine zusätzliche Implementierung eines elektro-optischen Regelmechanismus stabilisiert dabei die Emissionsenergie im Bereich der homogenen Linienbreite der Emitter.
Non-classical light sources are important components for the future realization of optical quantum computers, quantum communication networks and applications in quantum metrology. Quantum light sources based on semiconductor quantum dots are predestinated for the generation of single indistinguishable photons, twin-photon states, or polarizationentangled photon pairs. A special benefit is the advanced semiconductor technology allows the deterministic integration of quantum dots into photonic structures. Equally interesting are quantum dot-based micropillar lasers, which are important for both fundamental research in the in the field of quantum electrodynamics in resonators as well as for future applications in data transmission, due to their microscopic dimensions their high modulation bandwidth and their low power consumption. Not only the development of more efficient quantum emitters, but also the metrology of these structures has become increasingly important. Understanding the underlying physical processes of light emission is typically achieved in quantum optics by measuring the normalized second-order autocorrelation function g(2)(Ƭ). A deeper insight into the light emitting process can be obtained by a full access to the photon-number distribution, which also enables to compute higher-order correlation functions. In this context, photon-number-resolving detectors are used for the first time to characterize quantum dot-based nanophotonic structures. The detectors are superconducting transition-edge sensors, which are read-out by superconducting quantum interference devices. To operate the detectors in a cryogenic environment, an adiabatic demagnetization refrigerator is installed. The detector modules for photon number detection are implemented on the coldest stage and are operated at a temperature of 100 mK. The detection efficiency of the individual channels is determined to >87%. In a next step, the photon-number-resolving detector system is used to characterize a quantum dot-based micropillar laser. Two detector channels simultaneously detect the light emission from two orthogonal components of the fundamental emission mode of the bimodal micropillar laser. The applied experimental scheme thereby provides unprecedented access to the joint photon-number distribution and provides a deep insight into the dynamics and photon statistics of the coupled modes due to the common gain medium. In particular the measurements reveal an optical bi-stability of the correlated mode components, which can be interpreted as a temporal switching between emission with coherent and thermal emission statistics. Furthermore, the photon number-resolving detector system is used to directly measure the two-photon states of an energetically degenerate biexciton-exciton cascade. The experiment motivates to use a tuning mechanism to achieve this special energy alignment. The chosen method is mechanical strain transfer to the quantum dot semiconductor material, which has an direct effect on the electronic band structure. With this method, it is also possible to tune the binding energy and the fine-structure splitting nearly to zero. In a final step, quantum dots are integrated into microlenses in order to increase the photon extraction efficiency. Subsequently, the method of mechanical strain tuning allows the fabrication of a spectrally tunable, highly efficient single-photon source. To demonstrate the scalability of the device concept for entanglement swapping experiments, the emission lines of three different quantum dots can be tuned in spectral resonance. An additional implementation of an electro-optical control mechanism stabilizes the emission energy in the range of the homogeneous linewidth of the emitters.