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- Dokumenttyp:
- Masterarbeit
- Autor(en):
- Paul Kohl
- Titel:
- Optical Characterisation of Telecommunication-Wavelength Quantum Dots
- Übersetzter Titel:
- Optische Charakterisierung von im Wellenlängenbereich der Telekommunikation emittierenden Quantenpunkten
- Abstract:
- Specific current classical cryptography is vulnerable to quantum algorithms run on quantum computers with exponentially scaling state space. This may be mitigated via information theoretically secure encryption in conjunction with physically secure Quantum Key Distribution (QKD). Quantum light would be an elegant choice of Quantum Bit (qubit) due to high coherence times and low absorption in commercial fibre optics. One of the most important Single-Photon Sources (SPSs) is probably the Quantum Dot (QD), which features deterministic, high rate photon generation, but one needs emissions in the telecommunication C-band (1530 nm - 1565 nm) to leverage the global minimum of absorption in standard optical fibres and in the O-band (1260 nm - 1360 nm) to leverage minimal wavepacket dispersion in the fibres. Thus, an experimental setup for Micro-Photoluminescence (μPL) measurements was built to investigate single InAs QDs on GaAs substrate with graded In1–xGaxAs Metamorphic-Buffer Layer (MBL) and Distributed Bragg Reflector (DBR) emitting in the C-band which were grown with Metal-Organic Vapor-Phase Epitaxy (MOVPE) and InAs QDs on GaAs substrate with graded In1–xGaxAs MBL emitting in the O-band grown via Molecular Beam Epitaxy (MBE). Power dependent and polarisation dependent measurements were performed with the setup on both types of samples to identify and characterise excitonic transitions and emissions were investigated w.r.t. biexciton-exciton cascades, their Fine Structure Splitting (FSS) and Degree of Linear Polarisation (DOLP). We were able to identify different excitonic transitions on both types of samples via power dependency of transitions and polarisation dependent photon energies in biexciton-exciton cascades and lack thereof in trionic transitions. We quantified FSSs of ∼ 21 μeV and DOLPs in the range from ∼ 5 % to ∼ 18 % on the sample emitting in the C-band, on the sample emitting in the O-band FSSs as little as ∼ 21 μeV and DOLPs from ∼ 16 % to ∼ 35 %. Furthermore we examined s-shell and p-shell states of QDs from the sample emitting in the O-band and compared them to each other. In addition, we also performed comparative measurements on ensemble emissions from the sample emitting in the O-band with and without hemispherical Solid Immersion Lenses (SILs) of diameters 25 μm, 50 μm, 100 μm, and 200 μm to improve the collection efficiency. The SILs with refractive index ∼ 1,52 were fabricated via 3D lithography and their collection efficiency was simulated for different Numerical Apertures (NAs). For the NA of the used objective the collection efficiency without SILs was calculated to be ∼ 1,25 % and ∼ 3,25 % to ∼ 3,5 % for hemispherical SILs. The relative performance improvement of different SIL diameters was maximal for a diameter of 50 μm with a relative performance of ∼ 146 % w.r.t. the average of reference measurements.
- übersetzter Abstract:
- Manche Varianten derzeitiger klassischer Kryptographie sind anfällig für Quantenalgorithmen, die auf Quantencomputern mit exponentiell wachsendem Zustandsraum ausgeführt werden. Dies kann durch informationstheoretisch sichere Verschlüsselung in Verbindung mit physikalisch sicherem Quantenschlüsselaustausch (QKD) abgefedert werden. Quantenlicht könnte aufgrund hoher Kohärenzzeiten und geringer Absorption in handelsüblichen Glasfasern als elegante Wahl für Quantenbits (qubits) dafür dienen. Eine der wichtigsten Einzelphotonenquellen (SPS) ist vermutlich der Quantenpunkt (QD), der sich durch deterministische Erzeugung von Photonen mit hoher Rate auszeichnet. Man benötigt jedoch Emissionen im Telekommunikationswellenlängenbereich des C-Bandes (1530 nm - 1565 nm), um das globale Absorptionsminimum in Standardfasern nutzen zu können und Emissionen im O-Band (1260 nm - 1360 nm), um die minimale Dispersion von Wellenpaketen in den Fasern auszunutzen. Deshalb wurde ein Versuchsaufbau für Mikrophotolumineszenzmessungen (µPL) gebaut, um einzelne QDs zu untersuchen. Es wurden InAs-QDs auf GaAs-Substrat mit abgestufter In1-xGaxAs Metamorphic-Buffer Layer (MBL) und Bragg-Spiegel (DBR), die im C-Band emittieren, untersucht, die mittels metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOVPE) gezüchtet wurden. Außerdem wurden im O-Band emittierende InAs-QDs auf GaAs-Substrat mit abgestufter In1-xGaxAs MBL untersucht, die mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) gezüchtet wurden. Leistungs- und polarisationsabhängige Messungen wurden mit dem Aufbau an beiden Probentypen durchgeführt, um exzitonische Übergänge zu identifizieren und zu charakterisieren. Die Emissionen wurden in Bezug auf Biexziton-Exziton-Kaskaden, Feinstrukturaufspaltung (FSS) und linearen Polarisationsgrad (DOLP) untersucht. Verschiedene exzitonische Übergänge konnten auf beiden Probentypen durch das leistungsabhängige Verhalten der Emissionen und polarisationsabhängige Photonenenergien in Biexziton-Exziton-Kaskaden und das Fehlen der Polarisationsabhängigkeit in trionischen Übergängen identifiziert werden. Es wurden bei der im C-Band emittierenden Probe FSS von ∼ 21 μeV und DOLPs im Bereich von ∼ 5 % bis ∼ 18 % festgestellt. Bei der im O-Band emittierenden Probe waren es FSSs ab ∼ 21 μeV und DOLPs von ∼ 16 % bis ∼ 35 %. Außerdem wurden Zustände der s-Schale und p-Schale von QDs auf der Probe, die im O-Band emittiert, genauer betrachtet und verglichen. Darüber hinaus wurden vergleichende Messungen bezüglich des Sammelwirkungsgrads von Ensemble-Emissionen auf der Probe, die im O-Band emittiert, durchgeführt. Es wurden Ensemble-Emissionen von der Probe ohne und mit halbkugelförmigen Festkörper-Immersionslinsen (SILs) mit Durchmessern von 25 μm, 50 μm, 100 μm und 200 μm verglichen und wie die Linsen den Sammelwirkungsgrad verbessern. Die SILs mit Brechungsindex von ∼ 1,52 wurden mittels 3D-Lithographie hergestellt und der Sammelwirkungsgrad für verschiedene numerische Aperturen (NAs) simuliert. Für die NA des verwendeten Objektivs wurde ein Sammelwirkungsgrad ohne SIL von ∼ 1,25 % und für halbkugelförmige SILs von ∼ 3,25 % bis ∼ 3,5 % errechnet. Die relative Leistungsverbesserung der verschiedenen SIL-Durchmesser war bei einem Durchmesser von 50 μm mit einer relativen Leistung von ∼ 146 % im Vergleich zum Durchschnitt der Referenzmessungen am größten.
- Stichworte:
- Quantum Optics, Quantum Key Distribution (QKD), Single-Photon Source (SPS), Micro-Photoluminescence (µPL), Telecommunication-Wavelength, O-Band (1260nm - 1360nm), C-Band (1530nm - 1565nm), InAs Quantum Dots (QDs), InGaAs Metamorphic Buffer Layer (MBL), Biexciton-Exciton Cascade, Fine Structure Splitting (FSS), Degree of Linear Polarisation (DOLP), Solid Immersion Lens (SIL)
- Fachgebiet:
- PHY Physik
- DDC:
- 530 Physik
- Betreuer:
- Müller, Kai (Prof. Dr.)
- Jahr:
- 2023
- Seiten/Umfang:
- 92
- Sprache:
- en
- Sprache der Übersetzung:
- de
- Hochschule / Universität:
- Technische Universität München
- Fakultät:
- TUM School of Computation, Information and Technology
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