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Development of deterministic single-photon sources operating in the telecom spectral range

Srocka, Nicole

Novel approaches of secure data communication are build up on the exchange of quantum states, whereby the quantum nature itself introduces the immunity to eavesdropping. Research on the related fields of quantum communication, quantum networks and quantum computing has evolved rapidly over the last decays. This thesis focuses on one fundamental building block for related applications: the quantum light source - in the form of deterministically fabricated single-photon sources based on semiconductor quantum dots (QDs). The studied sources are optimised for the use in long-distance fibre-based quantum communication networks. In quantum communication networks quantum states are transmitted between different nodes by photons, and the delivery of individual photons in the required quantum state of light is crucial for the functioning of a quantum communication link. Furthermore, to enable long-distance communication and to build up a quantum network the existing global network of silica fibres can be exploited as transmitting medium. Besides other stringent requirements this places the need to match the wavelength of emitted single photons to one of the telecommunication transmission windows at 1.3 µm (O-band) or at 1.55 µm (C-band). In the scope of this work the present process flow to fabricate single-photon sources based on photonic nanostructures with deterministically embedded QDs is transferred from a wavelength range below < 1 µm to be operable for the near IR spectral range > 1 µm, covering the important telecom O-band with a local minimum of transmission losses and minimal dispersion. For this purpose different steps in design optimisation, epitaxial heterostructure growth and nanostructuring have to be adopted. The fabricated devices can be basically divided in distributed Bragg reflector (DBR) and gold mirror based concepts, whereby devices with a gold mirror undergo a thermocompressive gold bonding and a flip-chip process flow before being nanostructured. In both concepts, the design of the photonic microstructure helps to overcome total internal reflection and its dimensions feature a weak cavity effect to enhance the photon extraction efficiency of generated photons from the semiconductor material into free space. To fabricate deterministic photonic nanostructures that embed a pre-selected QD low-temperature cathodoluminescence is used to optically pre-characterise a QD area and subsequently in-situ electron beam lithography is used to deterministically pattern the heterostructure. A ready fabricated source is then characterised by optical and quantum optical measurements. These comprise micro-photoluminescence (µPL) power- and polarisation dependent measurements as well as autocorrelation-, time resolved-, photon extraction iefficiency-, and indistinguishability measurements. The required µPL setup and extensions are set up new with optics and detection systems suitable for the spectral range > 1 µm. Starting with DBR structures the proof of principle of the technology transfer is performed. The increased photon extraction efficiency for a fabricated photonic nanostructure is determined to be ≥ 10 % in comparison to ≥ 2 % for an unstructured heterostructure surfaces. The single photon character of emission proves to be rather temperature stable, with single QD emission up to 80 K and autocorrelation results yielding g (2) (0) =0.01 at 30 K. Next, a fabricated device is introduced into a 19 in compact stand-alone fully fibre-coupled plug & play single-photon source. To develop our single-photon sources further the DBR is replaced by a backside gold mirror, which allows to combine further techniques with our structures, such as pumping electrical instead of optical or manipulating emission properties via post-processing tuning knobs. Here wavelength tuning via external strain and controlled by a piezoelectric actuator of nearly 3 meV is shown. Moreover, it is proven that this tuning range is sufficient to tune two QDs into spectral resonance and maintain this match over time by a closed-feedback loop of the voltage applied to the piezoelectric actuator. Fine-structure-splitting and indistinguishability measurements are taken to give feedback for the optimisation of epitaxial growth and nanofabrication. The final sample generation yields a visibility of Vpost = (96 ± 10) % under post-selection and an application relevant V = (16 ± 8) % with no post-selection. The discussion of experimental findings is framed by introducing fundamentals regarding QDs themselves, growth and fabrication methods as well as the µPL setup configurations and a summary and outlook at the end.
Neuartige Ansätze für eine sichere Datenkommunikation beruhen auf dem Austausch von Quantenzuständen, wobei die Quantennatur selbst die Immunität gegen Abhörer bewirkt. Die Forschung auf den verwandten Gebieten der Quantenkommunikation, Quantennetzwerke und des Quantencomputings hat sich in den letzten Jahrzehnten rasant entwickelt. Diese Arbeit konzentriert sich auf einen grundlegenden Baustein für verwandte Anwendungen: die Quantenlichtquelle selbst- in Form von deterministisch hergestellten Einzelphotonenquellen (SPS) auf der Basis von Halbleiter-Quantenpunkten (QDs). Die untersuchten Quellen werden für den Einsatz in faserbasierten Quantenkommunikationsnetzwerken über große Entfernungen optimiert. In Quantenkommunikationsnetzen werden Quantenzustände zwischen verschiedenen Knotenpunkten durch Photonen übertragen, hierbei ist die Übermittlung und Bereitstellung der einzelnen Photonen im erforderlichen Quantenzustand von essenzieller funktionaler Bedeutung. Das bestehende globale Telekommunikationsnetz von Siliziumfasern kann auch für die Quanten basierte Kommunikation als Übertragungsmedium genutzt werden, um über große Entfernungen abhörsicher zu kommunizieren. In diesem Fall ergibt sich neben anderen strengen Anforderungen die Notwendigkeit, die Wellenlänge der emittierten Einzelphotonen an eines der Telekommunikationsübertragungsfenster anzupassen. Im Rahmen dieser Arbeit wird der derzeitige Prozessablauf zur Herstellung von SPS aus Nanostrukturen mit deterministisch eingebetteten QDs von einem Wellenlängenbereich unterhalb < 1 µm auf den nahen IR-Spektralbereich > 1 µm übertragen. Dieser neue Spektralbereich deckt das wichtige O-Band der Telekommunikation mit einem lokalen Minimum an Transmissionsverlusten und minimaler Dispersion ab. Für die Herstellung passender SPS werden Anpassungen in der Designoptimierung, des Probenwachstums und der Nanostrukturierung durchgeführt. Die SPS lassen sich grundsätzlich hinsichtlich ihrers rückseitigen Spiegeldesigns unterscheiden in DBR- und Goldspiegel-basierte Strukturen. Bauelemente mit einem Goldspiegel durchlaufen vor der Nanostrukturierung zusätzliche Prozessierungsschritte eines Goldbondings und eines Flip-Chip-Prozesses. Unabhängig vom Spiegel trägt die Form der photonischen Nanostruktur dazu bei die Totalreflexion an der Grenzschicht von Halbleiter und Luft zu verringern und die sorgfältik skalierte Größe der Nanostruktur erzeugen zusätzlich einem schwachen Hohlraumeffekt, welcher ebenfalls die Auskopplungseffizienz der erzeugten Photonen in den freien Raum erhöht. Zur Herstellung deterministischer photonischer Nanostrukturen, in die ein zuvor ausgewählter QD eingebettet ist, wird eine QD-Region durch Niedertemperatur-Kathodo-lumineszenz optisch vorcharakterisiert und die Heterostruktur anschließend durch Elektronenstrahllithographie deterministisch strukturiert. Eine fertig hergestellte SPS wird dann durch optische und quantenoptische Messungen iiicharakterisiert. Diese umfassen leistungs- und polarisationsabhängige Mikrofotolumineszens (µPL ) Messungen sowie Autokorrelations-, zeitaufgelöste-, Extraktionseffizienzund Ununterscheidbarkeitsmessungen. Die erforderlichen µPL -Aufbauten und Erweiterungen werden mit für diesen Spektralbereich > 1 µm geeigneten Optiken und Detektionssystemen neu aufgebaut. Ausgehend von DBR-Strukturen wird der Grundsatzbeweis für den Technologietransfer erbracht. Die verbesserte Photonenextraktionseffizienz für eine hergestellte photonische Nanostruktur wird mit ≥ 10 % im Vergleich zu ≥ 2 % für eine unstrukturierte Heterostrukturoberfläche bestimmt. Die Emission einzelner Photonen erweist sich als sehr temperaturstabil. Emissionsliniene einzelner QDs können bis zu 80 K beobachtet werden und Autokorrelationsmessungen bei 30 K zeigen noch eine gute Unterdrückung von Mehrphotonenzuständen mit g (2) (0) = 0, 01. Abschließend zu den Studien an DBR-basierten Bauelementen wird eine prozessierte Nanostruktur als SPS in ein kompaktes, in sich geschlossenes, vollständig fasergekoppeltes 19 in großes Plug & Play-Setup eingebaut. Um unsere Einzelphotonenquellen weiterzuentwickeln, wird der DBR durch einen rückseitigen Goldspiegel ersetzt, dieser ermöglicht es andere Techniken mit unseren Strukturen zu kombinieren: z. B. elektrisches Pumpen anstelle von optischem Pumpen oder die Möglichkeit auch nach abgeschlossener Prozessierung einzelne Emissionseigenschaften zu manipulieren. Hier wird die Wellenlängenabstimmung von fast 3 meV durch induzierte Verspannung demonstriert. Die Heterostruktur ist dafür über den Goldspiegel mit einem piezoelektrischen Aktuator verbunden. Darüber hinaus wird gezeigt, dass der realisierte Abstimmungsbereich der Emissionswellenlänge ausreichend ist, um zwei QDs in spektrale Resonanz zu bringen und diese Übereinstimmung durch eine geschlossene Rückkopplungsschleife der an den piezoelektrischen Aktor angelegten Spannung über die Zeit aufrechtzuerhalten. Feinstrukturaufspaltungs- und Ununterscheidbarkeitsmessungen werden als Qualitätsfeedback genutzt um das Epitaxiewachstum und die Nanoprozessierung zu optimieren. Die finalen Proben zeigten Visbilitäten von Vpost = (96 ± 10) % wenn nachträglich gefiltert wird und V = (16 ± 8) % ohne nachträglichem filtern und somit relevant für die Anwendung. Die Diskussion der experimentellen Ergebnisse wird umrahmt von einer Einführung in die Grundlagen der QDs, der Wachstums- und Herstellungsmethoden sowie der Konfiguration des µPL Aufbaus und einer Zusammenfassung inklusive Ausblick am Ende der Arbeit.