@phdthesis{Heindel2013,
  author    = {Heindel, Tobias},
  title     = {Elektrisch gepumpte Quantenpunkt-Einzelphotonenquellen f{\"u}r die Quantenkommunikation},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-105778},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2013},
  abstract  = {Als erste kommerziell verf{\"u}gbare Technologie der Quanteninformation erm{\"o}glicht die Quanten-Schl{\"u}sselverteilung eine sichere Daten{\"u}bertragung indem einzelne Photonen oder quantenmechanisch verschr{\"a}nkte Photonenpaare zur Erzeugung eines Schl{\"u}ssels verwendet werden. Die hierf{\"u}r ben{\"o}tigten nicht-klassischen Photonen-Zust{\"a}nde k{\"o}nnen durch Halbleiter-Quantenpunkte erzeugt werden. Im Gegensatz zu anderen Quanten-Emittern wie isolierten Atomen, organischen Molek{\"u}len oder Fehlstellen in Diamantnanokristallen bieten diese zudem den Vorteil, direkt in komplexe Halbleiter-Mikrostrukturen integriert werden zu k{\"o}nnen. Quantenpunkte sind somit pr{\"a}destiniert f{\"u}r die Entwicklung neuartiger optoelektronischer Bauelemente auf einer skalierbaren Technologieplattform. Vor diesem Hintergrund werden in der vorliegenden Arbeit die Eigenschaften elektrisch gepumpter Quantenpunkt-Mikrostrukturen untersucht. Als optisch aktives Medium dienen dabei selbstorganisierte InAs/GaAs-Quantenpunkte. Die Zielsetzung ist die Erzeugung nicht-klassischen Lichts f{\"u}r Anwendungen in der Quantenkommunikation, wobei ein besonderer Fokus auf dem elektrischen Betrieb der entsprechenden Quantenlichtquellen liegt. Dabei werden sowohl ausgepr{\"a}gte Resonatoreffekte im Regime der schwachen Licht-Materie-Wechselwirkung ausgenutzt, um helle Einzelphotonenquellen zu realisieren, als auch die Eigenschaften korrelierter Photonenpaare zweier spektral separierter Quantenpunkt-Zust{\"a}nde analysiert. Als Untersuchungsmethode wird in erster Linie die spektral und zeitlich hochaufl{\"o}sende Mikro-Lumineszenz-Spektroskopie bei kryogenen Temperaturen eingesetzt. Zudem erfolgen Experimente zur Photonenstatistik anhand von Messungen der Auto- sowie Kreuzkorrelationsfunktion zweiter Ordnung. Wie im Folgenden aufgef{\"u}hrt, gelingt dabei der Bogenschlag von grundlegenden Untersuchungen an Quantenpunkt-Mikrostrukturen bis hin zur erstmaligen Implementierung elektrisch getriggerter Quantenpunkt-Einzelphotonenquellen in realistischen Experimenten zur Quanten-Schl{\"u}sselverteilung außerhalb einer gesch{\"u}tzten Laborumgebung. Elektrisch getriggerte Einzelphotonenquellen: F{\"u}r die Erzeugung elektrisch getriggerter, einzelner Photonen wurden Quantenpunkte in Mikroresonatoren eingebettet. Diese basieren auf dotierten, zylindrischen Fabry-P{\´e}rot Mikros{\"a}ulenresonatoren, deren Design bez{\"u}glich der Photonen-Auskoppeleffizienz optimiert wurde. […] Anhand von Messungen zur Photonenstatistik konnte f{\"u}r diese spektral resonant gekoppelten Quantenpunkt-Mikroresonatorsysteme sowohl unter kontinuierlicher- als auch unter gepulst-elektrischer Anregung Einzelphotonen-Emission nachgewiesen werden. […] Anhand einer eingehenden Analyse der Emissionsraten sowie der elektrischen Injektionseffizienzen bei Anregungs-Repetitionsraten von bis zu 220 MHz konnte gezeigt werden, dass die untersuchten Mikroresonatoren zudem als {\"a}ußerst effiziente, elektrisch getriggerte Einzelphotonenquellen eingesetzt werden k{\"o}nnen. Sowohl bez{\"u}glich der Einzelphotonen-Emissionsraten von bis zu (47,0+/-6,9) MHz als auch der Gesamteffizienz der Bauteile bis hin zu (34+/-7) \% konnten dabei Rekordwerte erzielt werden. Korrelierte Photonenpaare elektrisch gepumpter Quantenpunkte: […] Quanten-Schl{\"u}sselverteilung mit elektrisch getriggerten Einzelphotonenquellen: Ausgehend von den grundlegenden Untersuchungen dieser Arbeit, erfolgte die erstmalige Implementierung elektrisch getriggerter Quantenpunkt-Einzelphotonenquellen in Experimenten zur Quanten-Schl{\"u}sselverteilung. Basierend auf den eingehend analysierten Quantenpunkt-Mikroresonatoren, wurden dabei zwei Experimente in Freistrahloptik mit unterschiedlichen {\"U}bertragungsdistanzen durchgef{\"u}hrt. In beiden F{\"a}llen wurde ein BB84-Protokoll nachgeahmt, indem auf die einzelnen Photonen eine feststehende Abfolge von vier unterschiedlichen Polarisationszust{\"a}nden aufmoduliert wurde. Das erste Experiment, durchgef{\"u}hrt im Labormaßstab in W{\"u}rzburg, basierte auf einem Quantenkanal mit einer L{\"a}nge von etwa 40 cm und arbeitete bei einer Taktrate von 183 MHz. Die h{\"o}chste dabei erzielte ausgesiebte Schl{\"u}sselrate (engl. sifted-key rate) betrug 35,4 kbit/s bei einem Quanten-Bitfehlerverh{\"a}ltnis (QBER) von 3,8 \%. Der Einzelphotonen-Charakter der Emission innerhalb des Quantenkanals konnte jeweils eindeutig nachgewiesen werden […]. Das zweite Experiment zur Quanten-Schl{\"u}sselverteilung wurde mittels zweier Teleskope {\"u}ber eine Distanz von 500 m in der M{\"u}nchner Innenstadt zwischen den D{\"a}chern zweier Geb{\"a}ude der Ludwig-Maximilians-Universit{\"a}t realisiert. […] Bei einer Taktrate von 125 MHz konnte mit diesem System im Einzelphotonen-Regime eine maximale sifted-key rate von 11,6 kbit/s bei einem QBER von 6,2 \% erzielt werden. Diese erstmalige Implementierung elektrisch betriebener, nicht-klassischer Lichtquellen in Experimenten zur Quanten-Schl{\"u}sselverteilung stellt einen wichtigen Schritt hinsichtlich der Realisierung effizienter und praktikabler Systeme f{\"u}r die Quantenkommunikation dar.},
  subject      = {Quantenpunkt},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Kremling2013,
  author    = {Kremling, Stefan},
  title     = {Charakterisierung von InP und InGaN Quantenpunkten als Einzelphotonenquellen sowie von AlGaInAs Quantenpunkten in Zwischenband-Solarzellen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-101712},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2013},
  abstract  = {Die vorliegende Arbeit beschreibt die Charakterisierung von Halbleiter-Quantenpunkten (QP) in unterschiedlichen Materialsystemen. Die hier dargelegten Untersuchungen wurden mit verschiedenen Methoden der optischen Spektroskopie durchgef{\"u}hrt. Zu Beginn der Arbeit werden theoretische Grundlagen von QP hinsichtlich ihrer elektronischen Struktur und statistischen Eigenschaften erl{\"a}utert. Dar{\"u}ber hinaus wird n{\"a}her auf die Physik von Solarzellen eingegangen, in dem die relevanten Gleichungen f{\"u}r die Beschreibung des Ladungstr{\"a}gertransportes hergeleitet und diskutiert werden. Darauf folgend werden die experimentelle Methoden erkl{\"a}rt, welche zur Charakterisierung der jeweiligen Proben dienten. Besonderes Augenmerk wird auf die Methode zur Messung des Zwei-Photonen-Absorptionsprozesses gelegt. Der Abschnitt der experimentell gewonnenen Ergebnisse beginnt mit Untersuchungen an einzelnen, spektral isolierten InP QP, welche mit ultralangsamen Wachstumsraten hergestellt wurden. Aufgrund der sehr geringen Fl{\"a}chendichte konnten grundlegende physikalische Eigenschaften von QP ohne zus{\"a}tzliche laterale Strukturierungen studiert werden. Mittels Messungen in Abh{\"a}ngigkeit der Anregungsleistung und Detektion in Abh{\"a}ngigkeit der Polarisation konnten die verschiedenen Lumineszenzlinien eines QP-Spektrums den jeweiligen exzitonischen Zust{\"a}nden zugeordnet werden. Zus{\"a}tzlich wurden die QP in einem externen Magnetfeld in Faraday-Konfiguration untersucht. Abschließend durchgef{\"u}hrte Autokorrelationsmessungen erlaubten die Untersuchung der zeitlichen Statistik der QP-Photonen. Es konnte die Emission einzelner Photonen nachgewiesen werden. Anschließend folgen spektroskopische Untersuchungen von InP QP, welche mittels sequentiellen Wachstums hergestellt wurden. Anhand von Messungen in Abh{\"a}ngigkeit der Anregungsleistung und best{\"a}tigt durch zeitaufgel{\"o}ste Messungen am QP-Ensemble wurde eine bimodale QP-Verteilung mit Typ-I und Typ-II Bandverlauf bestimmt. Zus{\"a}tzlich konnten an einzelnen, spektral isolierten QP verschiedene Exziton-Zust{\"a}nde identifiziert werden, bevor abschließend Autokorrelationsmessungen die Emission einzelner Photonen demonstrierten. Zur Steigerung der Auskoppeleffizienz der Photonen wurden InP QP in Mikros{\"a}ulenresonatoren, bestehend aus zwei Bragg-Spiegeln mit einer dazwischenliegenden GaInP Kavit{\"a}t, eingebettet. Anfangs wurde die Emission der Kavit{\"a}tsmode von Strukturen mit unterschiedlichen lateralen Durchmessern charakterisiert. Mittels Temperaturverstimmung konnte die Energie eines einzelnen QP-Exzitons in Resonanz mit der Resonatormode gebracht werden. Im Regime der schwachen Wechselwirkung wurde eine signifikante {\"U}berh{\"o}hung der Lumineszenzintensit{\"a}t aufgrund des Purcell-Effektes gemessen. Zus{\"a}tzlich wurde im Regime der schwachen Kopplung die Emission einzelner Photonen anhand von Korrelationsmessungen nachgewiesen. Im zweiten Schritt wurden die QP-Mikros{\"a}ulenresonatorstrukturen elektrisch angeregt. Nach einer grundlegenden Charakterisierung konnte auch hier mittels Temperaturverstimmung die Energie der Resonatormode mit der eines Exziton in Resonanz gebracht werden. Im Regime der schwachen Wechselwirkung stieg die Intensit{\"a}t der Lumineszenz aufgrund des Purcell-Effekts signifikant an. Zum Abschluss best{\"a}tigen Korrelationsmessungen den Nachweis der Emission einzelner Photonen. In Kapitel 6 werden die Eigenschaften von InGaN QP genauer analysiert. Nitrid-Verbindungshalbleiter kristallieren vorzugsweise stabil in der Wurtzit-Kristallstruktur. Polare Kristallebenen mit fehlender Spiegelsymmetrie f{\"u}hren zu starken piezoelektrischen Feldern. Dies hat eine Lumineszenz mit ausgepr{\"a}gter linearer Polarisation zur Folge hat. Diese Eigenschaft wurde mittels statistischen Untersuchungen n{\"a}her betrachtet. Zus{\"a}tzlich erlaubten Messungen in Abh{\"a}ngigkeit der Anregungsleistung die verschiedenen Exziton-Zust{\"a}nde eines QP zu identifizieren. Zudem wurde die Emission einzelner Photonen durch InGaN QP demonstriert, erstmals sogar bis zu einer Temperatur von 50 K. Im abschliessenden Kapitel wird eine m{\"o}gliche Anwendung von QP pr{\"a}sentiert, bei der Eigenschaften in Bauteilen gezielt ausgenutzt werden, um die Bandbreite der Photonenabsorption zu erh{\"o}hen. Das Konzept der Zwischenband-Solarzellen verspricht auch Photonen mit einer Energie kleiner der Bandl{\"u}cke des umgebenden Materials aufnehmen zu k{\"o}nnen und somit den spektralen Absorptionsbereich zu erweitern. F{\"u}r eine systematische Untersuchung wurden verschiedene Proben mit integrierten AlGaInAs QP hergestellt. Anhand der Strom-Spannungs-Kennlinien der jeweiligen Proben im Dunkeln und unter Beleuchtung konnten wichtige Solarzellenparameter bestimmt werden. Spektrale Messungen liefern Informationen {\"u}ber die externe Quanteneffizienz der Proben. Entscheidend f{\"u}r den experimentellen Nachweis des Funktionsprinzips der Zwischenband-Solarzellen ist die Messung der Zwei-Photonen-Absorption f{\"u}r zwei Photonen mit jeweils kleineren Energien als der Bandl{\"u}cke des umgebenden Materials.},
  subject      = {Quantenpunkt},
  language  = {de}
}