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The super-thermal photon bunching in quantum-dot (QD) micropillar lasers is investigated both experimentally and theoretically via simulations driven by dynamic considerations. Using stochastic multi-mode rate equations we obtain very good agreement between experiment and theory in terms of intensity profiles and intensity-correlation properties of the examined QD micro-laser's emission. Further investigations of the time-dependent emission show that super-thermal photon bunching occurs due to irregular mode-switching events in the bimodal lasers. Our bifurcation analysis reveals that these switchings find their origin in an underlying bistability, such that spontaneous emission noise is able to effectively perturb the two competing modes in a small parameter region. We thus ascribe the observed high photon correlation to dynamical multistabilities rather than quantum mechanical correlations.
Highly efficient single-photon sources (SPS) can increase the secure key rate of quantum key distribution (QKD) systems compared to conventional attenuated laser systems. Here we report on a free space QKD test using an electrically driven quantum dot single-photon source (QD SPS) that does not require a separate laser setup for optical pumping and thus allows for a simple and compact SPS QKD system. We describe its implementation in our 500 m free space QKD system in downtown Munich. Emulating a BB84 protocol operating at a repetition rate of 125 MHz, we could achieve sifted key rates of 5-17 kHz with error ratios of 6-9% and g((2))(0)-values of 0.39-0.76.
Mutual coupling and injection locking of semiconductor lasers is of great interest in non-linear dynamics and its applications for instance in secure data communication and photonic reservoir computing. Despite its importance, it has hardly been studied in microlasers operating at mu W light levels. In this context, vertically emitting quantum dot micropillar lasers are of high interest. Usually, their light emission is bimodal, and the gain competition of the associated linearly polarized fundamental emission modes results in complex switching dynamics. We report on selective optical injection into either one of the two fundamental mode components of a bimodal micropillar laser. Both modes can lock to the master laser and influence the non-injected mode by reducing the available gain. We demonstrate that the switching dynamics can be tailored externally via optical injection in very good agreement with our theory based on semi-classical rate equations. (C) 2019 Optical Society of America under the terms of the OSA Open Access Publishing Agreement
Im Rahmen dieser Arbeit wurden monolithische Halbleiternanostrukturen hinsichtlich neuartiger nanoelektronischer Transporteffekte untersucht. Hierbei wurden gezielt der ballistische Charakter des Ladungstransportes in mesoskopischen Strukturen sowie die kapazitive Kopplung einzelner Strukturbereiche ausgenutzt, um ballistische Verstärkerelemente und logische Gatter zu realisieren. Die untersuchten Nanostrukturen basieren auf dem zweidimensionalen Elektronengas modulationsdotierter GaAs/AlGaAs-Heterostrukturen und wurden über Elektronenstrahl-Lithographie sowie nasschemische Ätztechniken realisiert. Somit entstanden niederdimensionale Leiter mit Kanalbreiten von wenigen 10 nm, deren Leitwert über planare seitliche Gates elektrisch kontrolliert werden kann. Bei den Transportuntersuchungen, die zum Teil im stark nichtlinearen Transportbereich und bei Temperaturen bis hin zu 300 K durchgeführt wurden, stellte sich das Konzept verzweigter Kanalstrukturen als vielversprechend hinsichtlich der Anwendung für eine neuartige Nanoelektronik heraus. So kann eine im Folgenden als Y-Transistor bezeichnete, verzweigte Kanalstruktur in Abhängigkeit der äußeren Beschaltung als Differenzverstärker, invertierender Verstärker, bistabiles Schaltelement oder aber auch als logisches Gatter eingesetzt werden. Zudem eröffnet der Y-Transistor einen experimentellen Zugang zu den nichtklassischen Eigenschaften nanometrischer Kapazitäten, die sich von denen rein geometrisch definierter Kapazitäten aufgrund der endlichen Zustandsdichte erheblich unterscheiden können. Für ballistische Y-Verzweigungen tritt zudem ein neuartiger Gleichrichtungseffekt auf, der in Kombination mit den verstärkenden Eigenschaften von Y-Transistoren dazu genutzt wurde, kompakte logische Gatter sowie einen ballistischen Halb-Addierer zu realisieren.