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Entwicklung und Untersuchung quantenpunktbasierter Einzelphotonenquellen
Lochmann, Anatol
Das Ziel dieser Arbeit bestand in der Realisierung und Untersuchung optoelektronischer Bauelemente, welche nach einem elektrischen Impuls entweder genau ein einzelnes, polarisiertes Photon oder ein verschränktes Photonenpaar emittieren. Solche Emitterstrukturen werden als Q-Bit-Quellen bezeichnet. Eines der interessantesten Anwendungsgebiete einer solchen Q-Bit-Quelle ist die Quantenkryptographie, wobei hierfür sowohl einzelne linear polarisierte Photonen als auch verschränkte Photonenpaare hervorragend geeignet sind. In Hinblick auf die Entwicklung einer praxisrelevanten Emitterstruktur wurde im Rahmen dieser Arbeit ein quantenpunktbasierter Realisierungsansatz gewählt, dessen wesentliche Elemente erfolgreich patentiert werden konnten. Die für die Umsetzung des Gesamtkonzeptes dieser Arbeit entscheidende Herausforderung bestand zunächst darin, eine geeignete Bauelementstruktur zu entwickeln, mit der ein einzelner Quantenpunkt aus einem selbstorganisiert gewachsenen Quantenpunktensemble elektrisch selektiert werden kann. Mit der erfolgreichen Umsetzung dieses Bauelementtyps konnte erstmals die gezielte elektrische Ansteuerung der elektronischen Zustände eines einzelnen Quantenpunktes demonstriert werden. Da die Emission der Photonen in diesem ersten Ansatz ungerichtet in den vollen Raumwinkel erfolgt, ist die Anzahl der Photonen in einem akzeptablen Abstrahlwinkel trotz einer hohen internen Quanteneffizienz von ca. 20% sehr gering. Somit konzentrierte sich das weitere Vorgehen konsequenterweise auf die Steigerung der externen Quanteneffizienz. Durch die Einbettung des, idealerweise einzelnen, elektrisch gepumpten Quantenpunktes in eine Mikrokavität, kann sowohl die Emissionsrichtung der generierten Photonen als auch der Emissionsprozess des Quantenpunktes selbst beeinflusst werden. Die hierzu entwickelte oberflächenemittierende Bauelementstruktur ähnelt dabei in ihrem prinzipiellen Aufbau einer Resonant-Cavity-LED. Bei der Herstellung kavitätsbasierter Strukturen war die Bauelementmodellierung auf Grund der Komplexität ein unverzichtbares Element des Entwicklungsprozesses. Um den Zusammenhang zwischen konkreten Bauelementeigenschaften und einem dreidimensionalen Schichtsystem mit definierten Materialkompositionen, Dotierungsprofilen, lateralen und vertikalen Strukturausdehnungen herzustellen, wurde die Methode der Eigenmoden-Expansion verwendet, um ein funktionstüchtiges Design zu entwickeln. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Design konnte technologisch erfolgreich umgesetzt werden. Die Auskoppeleffizienz dieser, auf einer Resonant-Cavity-LED basierenden, Q-Bit-Quelle lag erwartungsgemäß weit über der des ersten Bauelementansatzes (etwa um einen Faktor 20). Mit dem hergestellten Bauelement konnte erstmals eine Einzelphotonen-Pulsfolge mit einer Frequenz von über 1GHz generiert werden. Damit ist die hier entwickelte Q-Bit-Quelle die bis dato mit Abstand schnellste elektrisch gepumpte, halbleiterbauelementbasierte Einzelphotonenquelle weltweit.
The efficient generation of polarized single or entangled photons is a crucial requirement for the implementation of quantum key distribution (QKD) systems. Most approaches in quantum communication still rely on the use of attenuated laser pulses or heralded photons from spontaneous parametric down-conversion. A true deterministic single-photon source, however, is desirable since signal fidelity in long distance communication is significantly limited by Poisson statistics. A single photon source is also a required for successful implementation of all-optical quantum computation. In this context, luminescence from single semiconductor quantum dots (QDs) has become eminent in meeting the required deterministic emission of single-photon states and enabling coherent mapping of information onto stationary solid-state quantum bit systems for information processing. Quantum dots are capable of emitting one polarized photon or an entangled photon pair at a single time using appropriate electrical current injection. This thesis presents the development and implementation of various novel and patented concepts of single photon sources. The first approach for single photo sources based on electrically driven QDs is the use of a micron-size aluminum-oxide aperture. The aperture restricts the current such that only one single QD is excited. Selective oxidation of AlGaAs layers with high Al content is used in the fabrication of the oxide aperture. In this way electrical excitation of more than one dot was significantly suppressed and non-classical light from a single dot is observed. In this device, only one electron and one hole at a time funnel into one QD. This process results in an extremely clean spectrum without the need of optical filtering to observe non-classical features of the emitted light. For the purpose of increasing the output coupling efficiency and the QD emission rate Resonant cavity LED-type (RCLED) single photon sources were developed. Distributed Bragg reflectors (DBRs) at the bottom and on top of the device define a microcavity containing a single electrically driven InAs QD. In order to optimise the device geometry detailed numerical device modelling was performed. By using the eigenmode-technique, the 3-D distribution of the optical electromagnetic field inside a RCLED-type single photon source and, consequently, the Purcell-factor as a function of the wavelength were calculated. Systematic variation of device design parameters, such as cavity length and aperture diameter, permitted optimization of the device design, producing the presently fastest electrical pumped, quantum dot based single photon sources.
