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Ultrabright sources of single and entangled photon pairs

Subject Area Experimental Condensed Matter Physics
Optics, Quantum Optics and Physics of Atoms, Molecules and Plasmas
Term from 2014 to 2018
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 258767146
 
Final Report Year 2019

Final Report Abstract

Im Verlauf des Projekts wurden verschiedene Methoden zur Erhöhung der Photonenextraktionseffizienz von Quantenpunkt‐basierten Einzelphotonenquellen untersucht. Für eine optimale Kopplung der Quantenpunktemission an eine photonische Struktur, z.B. eine Mikrolinse muss der Quantenpunkt im Zentrum der jeweiligen Struktur kontrolliert platziert werden, oder die photonische Struktur muss um den zuvor ausgewählten Quantenpunkt herum zentriert werden. Mit Hilfe der In‐situ‐Lithographie wurden von uns mit der zuletzt genannten Methode drei verschiedene Realisierungen erforscht. In einem ersten Schritt konnten wir die deterministische Herstellung von gedruckten Immersionslinsen auf lithographisch vorausgewählten Halbleiterquantenpunkten realisieren. Dadurch konnte die Extraktionseffizienz der Quantenpunktproben um einen Faktor 2 erhöht werden. In einem alternativen Ansatz gelang uns die deterministische Integration von Quantenpunkten in nasschemisch geätzte Gauß‐förmig gestaltete Mikrolinsen, die eine Oberflächenrauigkeit vergleichbar einem Wafer besitzen. Durch die langsame Ätzrate konnte das Aspektverhältnis der Linse und die vertikale Position des Quantenpunktes sehr genau eingestellt werden. Dies ermöglichte es uns die Form des Fernfeldes in optimaler Weise auf den Akzeptanzwinkel einer Single‐Mode Faser einzustellen. Mit diesem Ansatz konnten wir eine Erhöhung der Lichtausbeute um einen Faktor 10 bis 16 für numerische Aperturen von 0.6 bis 0.2 erzielen. Mit Hilfe von Photonenkorrelationsmessungen konnte die Einzelphotonenemission der Quantenpunkt‐Mikrolinse nachgewiesen werden. Ein weiterer Ansatz beruhte auf der Herstellung eines kreisförmigen Bragg‐Gitters, dass zentral über einem vorausgewählten Quantenpunkt gefertigt wurde. Dies wurde durch eine Kombination der In‐situ Lithographie mit der Elektronenstrahllithographie ermöglicht. Hier konnten wir ein Purcell Faktor von 2 für einen Übergang, der 3.9 nm vom Maximum der zentralen Resonatormode verstimmt lag, erzielen. Diese auch für große Verstimmungen nicht vernachlässigbare Purcell‐Verstärkung würde die simultane Verstärkung von mehreren spektral unterschiedlichen Übergängen innerhalb derselben Resonatormode ermöglichen. Dies wäre im Hinblick auf die simultane Verstärkung von polarisations‐ verschränkten Photonen, die von exzitonischen und biexzitonischen Übergängen stammen sehr vorteilhaft. Schließlich gelang uns mit Hilfe der In‐situ Lithographie die Herstellung einer elektrisch gepumpten Einzelphotonenquelle um einen deterministisch ausgewählten Quantenpunkt. Somit konnte diese Technik erstmalig zur Realisierung von elektrisch betriebenen Einzelphotonenquellen erfolgreich eingesetzt werden. Ein völlig anderer Ansatz beruhte auf einem abstimmbaren Glasfaser‐ basierten externen Mikroresonator in dem einzelne Quantenpunkte als Einzelphotonenlichtquelle dienen. Mit dieser Realisierung konnten ein Purcell‐Faktor von 4.4 und sehr reine Einzelphotonenemission (g(2)(0) = 0.005) demonstriert werden. Zusätzlich wurde die für praktische Anwendungen relevante Eigenschaft der Ununterscheidbarkeit von Photonen, die von unterschiedlichen Einzelphotonenquellen stammen im Rahmen des Projekts untersucht. Im Rahmen der Studie konnten wir zeigen wie sich die bei Festkörperemittern häufig beobachteten Schwankungen der Intensität (blinking dynamics) auf die Korrelationshistogramme der Zwei‐Photoneninterferenz‐Messungen, die mittels üblicher experimenteller Aufbauten gemessen werden, auswirken. Als Resultat der Studie konnte ein neuartiger Aufbau vorgeschlagen werden, der unempfindlich gegenüber den Intensitätsschwankungen ist und damit eine korrekte Bestimmung der Sichtbarkeit der Zweiphotoneninterferenz ermöglicht.

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