Advanced in-situ electron-beam lithography for deterministic nanophotonic device processing

This article may be downloaded for personal use only. Any other use requires prior permission of the author and AIP Publishing. This article appeared in Review of Scientific Instruments 86, 073903 (2015) and may be found at https://doi.org/10.1063/1.4926995.We report on an advanced in-situ electron-beam lithography technique based on high-resolution cathodoluminescence (CL) spectroscopy at low temperatures. The technique has been developed for the deterministic fabrication and quantitative evaluation of nanophotonic structures. It is of particular interest for the realization and optimization of non-classical light sources which require the pre-selection of single quantum dots (QDs) with very specific emission features. The two-step electron-beam lithography process comprises (a) the detailed optical study and selection of target QDs by means of CL-spectroscopy and (b) the precise retrieval of the locations and integration of target QDs into lithographically defined nanostructures. Our technology platform allows for a detailed pre-process determination of important optical and quantum optical properties of the QDs, such as the emission energies of excitonic complexes, the excitonic fine-structure splitting, the carrier dynamics, and the quantum nature of emission. In addition, it enables a direct and precise comparison of the optical properties of a single QD before and after integration which is very beneficial for the quantitative evaluation of cavity-enhanced quantum devices.DFG, 43659573, SFB 787: Halbleiter - Nanophotonik: Materialien, Modelle, Bauelement

Generating single photons at gigahertz modulation-speed using electrically controlled quantum dot microlenses

This article may be downloaded for personal use only. Any other use requires prior permission of the author and AIP Publishing. This article appeared in Appl. Phys. Lett. 108, 021104 (2016) and may be found at https://doi.org/10.1063/1.4939658.We report on the generation of single-photon pulse trains at a repetition rate of up to 1 GHz. We achieve this speed by modulating the external voltage applied on an electrically contacted quantum dot microlens, which is optically excited by a continuous-wave laser. By modulating the photoluminescence of the quantum dot microlens using a square-wave voltage, single-photon emission is triggered with a response time as short as (281 ± 19) ps, being 6 times faster than the radiative lifetime of (1.75 ± 0.02) ns. This large reduction in the characteristic emission time is enabled by a rapid capacitive gating of emission from the quantum dot, which is placed in the intrinsic region of a p-i-n-junction biased below the onset of electroluminescence. Here, since our circuit acts as a rectifying differentiator, the rising edge of the applied voltage pulses triggers the emission of single photons from the optically excited quantum dot. The non-classical nature of the photon pulse train generated at GHz-speed is proven by intensity autocorrelation measurements with g(2)(0) = 0.3 ± 0.1. Our results combine optical excitation with fast electrical gating and thus show promise for the generation of indistinguishable single photons at rates exceeding the limitations set by the intrinsic radiative lifetime.BMBF, 03V0630, Entwicklung einer Halbleiterbasierten Einzelphotonenquelle für die Quanteninformationstechnologie (QSOURCE)DFG, 43659573, SFB 787: Halbleiter - Nanophotonik: Materialien, Modelle, Bauelement

Development of an autarkically operating plug-and-play single photon emitter unit

Durch die stetige Entwicklung von Anwendungsmöglichkeiten der Quantentechnologie steigt auch die Nachfrage nach effizienten und qualitativ hochwertigen Quellen einzelner Photonen, welche den Grundstein vieler dieser praktischen Konzepte bilden. Daher wird im Rahmen dieser Arbeit die Entwicklung einer kältemittelunabhängigen, fasergekoppelten Einzelphotonenemittereinheit, basierend auf InGaAs-Quantenpunkten, dargestellt. Hierfür werden zunächst die Grundlagen von nicht-klassischem Licht und dessen Emission durch Quantenpunkte beschrieben. Ferner wird auf die Lichtauskopplung aus Halbleitern und die Lichtführung in Glasfasern eingegangen, bevor die experimentellen Methoden zur Charakterisierung der Emitter erläutert werden. Um eine Übersicht über relevante Quellen auf Quantenpunktbasis zu geben und deren Tauglichkeit für einen Plug-And-Play-Einzelphotonendemonstrator zu prüfen, werden die spektralen und statistischen Eigenschaften von Bauteilen mit vergrabenem Verspannungszentrum, Mikrosäulenresonatoren und optisch bzw. elektrisch angeregten Mikrolinsen verglichen. Es wird beobachtet, dass alle Quellen bei Anregungsfrequenzen von einigen hundert Megahertz und teilweise sogar bis in den Gigahertzbereich Einzelphotonenemission zeigen können, sich aber Mikrolinsen wegen ihrer breitbandig erhöhten Auskoppeleffizienz von bis zu 29% als vielversprechendste Kandidaten für eine Faserkopplung und Integration in den Demonstrator erweisen. Der wichtigste Schritt zur praktischen Verwendung von Quantenpunkten ist es, die Unabhängigkeit von jeglicher Kältemittelversorgung zu gewährleisten. Daher wird im anschließenden Kapitel gezeigt, dass die Charakterisierung und der Nachweis einzelner Photonen auch mit einem kompakten Stirlingkühler mit einer Basistemperatur von 29K durchgeführt werden können. Der direkte Vergleich von Autokorrelationsmessungen des selben Quantenpunktzustands im konventionellen Helium-Flusskryostat und im Stirlingkryostat weist nahezu identische g(2)(0)-Werte von 0,03 bzw. 0,04 auf. Darauffolgend wird erläutert, wie eine unmittelbare Glasfaserankopplung von Quantenpunktstrukturen realisiert werden kann, die Umsetzung beider präsentierter Methoden - ein selbstzentrierendes Steckprinzip und eine Ansatz durch Verkleben der Komponenten - wird dargelegt und Vor- und Nachteile werden diskutiert. Der zweite Ansatz wird anschließend zur Demonstration von Einzelphotonenemission aus statistisch gekoppelten Quantenpunkten verwendet. In einem finalen Schritt, werden alle einzeln präsentierten Komponenten zu einer alleinstehenden Einzelphotonenemittereinheit zusammengefügt. Dieser Demonstrator besitzt einen optisch angeregten, an eine mehrmodige Glasfaser gekoppelten Emitter in einer Mikrolinsenstruktur, welcher von einem Stirlingkühler auf 40K gekühlt wird. Die gesamten Teile, welche zur Generation der einzelnen Photonen benötigt werden, sind in einen kompakten und variabel einsetzbaren 19”-Messrackeinschub integriert. Die Einzelphotonenemission steht dem Nutzer direkt über einen Glasfaseranschluss zur Verfügung. Dieses Ergebnis stellt einen wichtigen Schritt bei der Entwicklung praktisch einsetzbarer und qualitativ hochwertiger Einzelphotonenemittereinheiten dar und demonstriert das große Potenzial dieses Ansatzes, die gemeinhin genutzten, abgeschwächten Laserquellen durch reale Einzelphotonenquellen zu ersetzen.The on-going development of applications for quantum technology also continuously increases the demand for efficient, high-quality sources of single photons, which form the basis for many of these practical concepts. Therefore, within this work, the development of a cryogen-independent, fiber-coupled single-photon-sourcing unit, based on InGaAs quantum dots, is shown. First, the basics of non-classical light and its emission by quantum dots is described. Moreover, light extraction from semiconductors and light guiding in glass fibers is explained before the experimental methods for characterizing the emitters are shown. In order to provide an overview of relvant quantum-dot sources and to examine their suitability for a plug-and-play single-photon demonstrator, spectral and statistical properties of structures with buried stressors, micropillar resonators and optically and electrically driven microlenses are compared. One can observe that all sources show single-photon emission at excitation frequencies of a few hundred megahertz, partially up to the gigahertz scale, but, as they provide broadband enhancement of the outcoupling efficiency of up to 29 %, microlenses are the most promising candidates for fiber-coupling and integration into a demonstrator. The most important step towards the practical use of quantum dots is to achieve independence from any cryogen supply. Thus, the following chapter shows that the characterization and the observation of single photons can also succeed with a compact Stirling-cryocooler with a base temperature of 29 K. A direct comparison of autocorrelation measurements obtained from the same quantum-dot state placed inside a conventional flow cryostat and inside a Stirling cryostat shows almost identical g(2)(0)-values of 0.03 and 0.04. Subsequently, it is explained how a direct fiber coupling of quantum-dot structures can be realized, the implementation of both presented methods - a self-centering stacking principle and an approach based on glueing the components together - is shown and the pros and cons are discussed. The second approach is used to demonstrate single-photon emission from statistically coupled quantum dots. Within a final step, all presented components are assembled to form a stand-alone single-photon-sourcing unit. This demonstrator includes an optically driven emitter embedded within a microlens structure, coupled to a multi-mode fiber, and cooled by a Stirling-cryocooler to 40 K. All parts which are necessary for the generation of single photons are integrated into a compact and variably insertable 19” rack drawer. Single-photon emission is provided directly to the user by a fiber port. This result presents an important step towards the development of practically applicable single-photon-sourcing units with high quality and demonstrates this approach’s great potential to replace commonly used, attenuated laser sources by real single-photon emitters

Entwicklung einer autark operierenden Plug-and-Play-Einzelphotonenemittereinheit

Durch die stetige Entwicklung von Anwendungsmöglichkeiten der Quantentechnologie steigt auch die Nachfrage nach effizienten und qualitativ hochwertigen Quellen einzelner Photonen, welche den Grundstein vieler dieser praktischen Konzepte bilden. Daher wird im Rahmen dieser Arbeit die Entwicklung einer kältemittelunabhängigen, fasergekoppelten Einzelphotonenemittereinheit, basierend auf InGaAs-Quantenpunkten, dargestellt. Hierfür werden zunächst die Grundlagen von nicht-klassischem Licht und dessen Emission durch Quantenpunkte beschrieben. Ferner wird auf die Lichtauskopplung aus Halbleitern und die Lichtführung in Glasfasern eingegangen, bevor die experimentellen Methoden zur Charakterisierung der Emitter erläutert werden. Um eine Übersicht über relevante Quellen auf Quantenpunktbasis zu geben und deren Tauglichkeit für einen Plug-And-Play-Einzelphotonendemonstrator zu prüfen, werden die spektralen und statistischen Eigenschaften von Bauteilen mit vergrabenem Verspannungszentrum, Mikrosäulenresonatoren und optisch bzw. elektrisch angeregten Mikrolinsen verglichen. Es wird beobachtet, dass alle Quellen bei Anregungsfrequenzen von einigen hundert Megahertz und teilweise sogar bis in den Gigahertzbereich Einzelphotonenemission zeigen können, sich aber Mikrolinsen wegen ihrer breitbandig erhöhten Auskoppeleffizienz von bis zu 29% als vielversprechendste Kandidaten für eine Faserkopplung und Integration in den Demonstrator erweisen. Der wichtigste Schritt zur praktischen Verwendung von Quantenpunkten ist es, die Unabhängigkeit von jeglicher Kältemittelversorgung zu gewährleisten. Daher wird im anschließenden Kapitel gezeigt, dass die Charakterisierung und der Nachweis einzelner Photonen auch mit einem kompakten Stirlingkühler mit einer Basistemperatur von 29K durchgeführt werden können. Der direkte Vergleich von Autokorrelationsmessungen des selben Quantenpunktzustands im konventionellen Helium-Flusskryostat und im Stirlingkryostat weist nahezu identische g(2)(0)-Werte von 0,03 bzw. 0,04 auf. Darauffolgend wird erläutert, wie eine unmittelbare Glasfaserankopplung von Quantenpunktstrukturen realisiert werden kann, die Umsetzung beider präsentierter Methoden - ein selbstzentrierendes Steckprinzip und eine Ansatz durch Verkleben der Komponenten - wird dargelegt und Vor- und Nachteile werden diskutiert. Der zweite Ansatz wird anschließend zur Demonstration von Einzelphotonenemission aus statistisch gekoppelten Quantenpunkten verwendet. In einem finalen Schritt, werden alle einzeln präsentierten Komponenten zu einer alleinstehenden Einzelphotonenemittereinheit zusammengefügt. Dieser Demonstrator besitzt einen optisch angeregten, an eine mehrmodige Glasfaser gekoppelten Emitter in einer Mikrolinsenstruktur, welcher von einem Stirlingkühler auf 40K gekühlt wird. Die gesamten Teile, welche zur Generation der einzelnen Photonen benötigt werden, sind in einen kompakten und variabel einsetzbaren 19”-Messrackeinschub integriert. Die Einzelphotonenemission steht dem Nutzer direkt über einen Glasfaseranschluss zur Verfügung. Dieses Ergebnis stellt einen wichtigen Schritt bei der Entwicklung praktisch einsetzbarer und qualitativ hochwertiger Einzelphotonenemittereinheiten dar und demonstriert das große Potenzial dieses Ansatzes, die gemeinhin genutzten, abgeschwächten Laserquellen durch reale Einzelphotonenquellen zu ersetzen

Mode selection in electrically driven quantum dot microring cavities

This work is supported by the European Commission within the scope of the project “TREASURE” (Grant No. 250056)Within this paper a novel method for selecting certain lasing modes from a whispering gallery mode (WGM) spectrum of electrically pumped microrings is presented. Selection is achieved by introducing sub-wavelength sized notches of about 50nm width and 500nm depth to the sidewalls of ring shaped quantum dot micro cavities with 80 mu m diameter and ridge widths below 2 mu m. It is shown that the notches act as scattering centers, suppressing modes that have maxima in intensity at the notch position. By a variation of the angle between the notches, different repetitive patterns of lasing modes and suppressed modes are conceivable. (C) 2013 Optical Society of AmericaPublisher PDFPeer reviewe

A bright triggered twin-photon source in the solid state

A non-classical light source emitting pairs of identical photons represents a versatile resource of interdisciplinary importance with applications in quantum optics and quantum biology. To date, photon twins have mostly been generated using parametric downconversion sources, relying on Poissonian number distributions, or atoms, exhibiting low emission rates. Here we propose and experimentally demonstrate the efficient, triggered generation of photon twins using the energy-degenerate biexciton–exciton radiative cascade of a single semiconductor quantum dot. Deterministically integrated within a microlens, this nanostructure emits highly correlated photon pairs, degenerate in energy and polarization, at a rate of up to (234±4) kHz. Furthermore, we verify a significant degree of photon indistinguishability and directly observe twin-photon emission by employing photon-number-resolving detectors, which enables the reconstruction of the emitted photon number distribution. Our work represents an important step towards the realization of efficient sources of twin-photon states on a fully scalable technology platform.BMBF, 03V0630, Entwicklung einer Halbleiterbasierten Einzelphotonenquelle für die Quanteninformationstechnologi

Bright Single-Photon Sources Based on Anti-Reflection Coated Deterministic Quantum Dot Microlenses

We report on enhancing the photon-extraction efficiency (PEE) of deterministic quantum dot (QD) microlenses via anti-reflection (AR) coating. The AR-coating deposited on top of the curved microlens surface is composed of a thin layer of Ta2O5, and is found to effectively reduce back-reflection of light at the semiconductor-vacuum interface. A statistical analysis of spectroscopic data reveals, that the AR-coating improves the light out-coupling of respective microlenses by a factor of 1.57 ± 0.71, in quantitative agreement with numerical calculations. Taking the enhancement factor into account, we predict improved out-coupling of light with a PEE of up to 50%. The quantum nature of emission from QDs integrated into AR-coated microlenses is demonstrated via photon auto-correlation measurements revealing strong suppression of two-photon emission events with g(2)(0) = 0.05 ± 0.02. As such, these bright non-classical light sources are highly attractive with respect to applications in the field of quantum cryptography