Bright and strain-tunable semiconductor quantum dot devices

• Optically active semiconductor quantum dots have proven to be excellent single- and entangled-photon sources, with applications in quantum optics and quantum photonics. These sources are considered crucial in the development of future photonic quantum technology, such as quantum communication, quantum computation and quantum metrology. In future quantum networks, they allow to share quantum information through optical fiber links and implement secure communication protocols based on quantum key distribution.However, there are several challenges when developing quantum dot devices in order to unlock the full potential of these quantum emitters. The ideal quantum dot source efficiently generates triggered single- and entangled-photons on-demand. It provides further high collection-efficiency, low multi-photon probability, near-unity indistinguishability and high entanglement fidelity. Finally, it also offers compatibility with other systems by providing photons with the desired spectral properties and enabling efficient photon coupling.In this thesis the development and fabrication of bright and strain-tunable quantum dot devices for single- and entangled-photon generation has been studied. It covers highly-symmetric GaAs quantum dots emitting in the near-infrared, InAs quantum dots generating photons in the telecom C-band and InAsP quantum dots embedded in InP nanowires enabling deterministic integration into photonic circuits. The main aspects of operating these quantum dots in cryogenic micro-photoluminescence experiments are described, with focus on enhancing the collection efficiency using solid immersion lenses. For strain-tunability, the focus lies on the fabrication of piezoelectric actuators as substrates for the integration of quantum dot samples by polymer-based bonding. Finally, this thesis describes the simulation, fabrication and measurement of a novel device featuring quantum dots embedded in broad-band parabolic mirror microcavities for enhanced light collection.Experimental results obtained with a variety of quantum dot devices are included: GaAs quantum dot devices featuring solid immersion lenses demonstrate record-low multi-photon probability and near-unity photon indistinguishability. Piezoelectric strain-tunable devices with InAs quantum dots emitting in the telecom C-band allow for on-demand generation of single- and entangled-photons with tunable quantum dot emission properties and high entanglement fidelity. Piezoelectric strain-tuning actuators enable further the realization of reconfigurable quantum photonic circuits featuring waveguide-integrated InAsP/InP nanowire quantum dots with tunable emission wavelength. Finally, GaAs quantum dots in microcavities with parabolic mirror integrated on piezoelectric actuators achieve an increase in brightness by one order of magnitude over planar structures while allowing to tune the emission wavelength to the atomic transition 87Rb D1 relevant for quantum memory applications.

• Optiskt aktiva halvledarkvantprickar har visats vara utmärkta källor för enstaka och intraslade fotoner med tillämpningar inom kvantoptik och kvantfotonik. Denna typ av källor anses vara kritiska för utvecklingen av framtida fotonikbaserade kvantteknologier så som kvantkommunikation, kvantdatorer och kvantmetrologi. I framtida kvantnätverk kommer dessa källor tillåta utbytet av kvantinformation genom optiska fiberlänkar och de kommer även att möjligöra kryptografiskt säker kommunikation genom kvantnyckeldistribution.Det finns emellertid flera utmaningar inom utvecklingen av dessa kvantprickkällor för att nå dess fulla potential. En ideal kvantprickkälla genererar effektivt enstaka och intrasslade fotoner på beställning. Den har också hög uppsamlingskoefficient, låg sannolikhet för multi-foton generation, oskiljbar intrassling och hög kvantfidelitet. Slutligen är en ideal källa kompatibel med andra system genom att generera fotoner med önskvärda spektral egenskaper och genom att möjligöra effektiv koppling av dessa fotoner.I denna avhandling har utvecklingen och tillverkningen av ljusa och töjnings-justerbara kvantprickskällor för enstaka och intrasslade fotoner studerats. Avhandlingen täcker högsymmetriska GaAs kvantprickar som genererar fotoner i det nära infraröda spektrat, InAs kvantprickar som genererar fotoner i telekommunikations C-bandet och InAsP kvantprickar inbädade i InP nanotråd som möjliggör deterministisk integration med fotoniska kretsar. De kritiska aspekterna av att använda dessa kvantprickar i kryogena mikro-fotoluminescens-experiment beskrivs, med fokus på att öka insamlingseffektiviteten med hjälp av solida immersionslinser. Fokuset för möjligheten att justera kvantpricken med hjälp av töjning ligger på fabrikationen av piezoelektriska ställdon som substrat för integration med kvantprickar med hjälp av polymerbaserad bindning. Slutligen beskriver denna avhandling simulering, tillverkning och karakterisering av en ny enhet med kvantprickar inbäddade i bredbands-paraboliska speglar i mikrokaviteter för förbättrad ljusinsamling.Experimentella resultat som erhållits från en mängd olika kvantpricksenheter ingår i avhandlingen: Enheter med GaAs kvantprickar och solid immersion linser visar rekordlåg multifoton-sannolikhet samt nästan enhetlig urskiljbarhet. Piezoelektriska töjnings-justerbara enheter med InAs kvantprickar som sänder ut fotoner i C-bandet för telekommunikation möjliggör generation av enstaka och intrasslade fotoner på begäran med stämmningsbara egenskaper och hög intrasslings-fidelitet. Piezoelektriskt töjningsbara ställdon möjligör också konfigurerbara kvantoptiska fotonik kretsar med InP/InAsP nanotråds kvantprickar med stämbar emmisionsvåglängd integrerade i vågledaren. Slutligen uppnår GaAs kvantprickar i mikrokaviteter med en parabolisk spegel integrerade på ett piezoelektriskt ställdon en ökning av ljusstyrkan med en storleksordning jämfört med plana strukturer samtidigt som den gör det möjligt att justera emissionsvåglängden till den atomövergången 87Rb D1 som är relevant för applikationer inom kvantminnen.

Ämnesord

NATURVETENSKAP  -- Fysik -- Den kondenserade materiens fysik (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Physical Sciences -- Condensed Matter Physics (hsv//eng)

Nyckelord

quantum dots

single–photons

entanglement

strain–tunable

kvantprickar

singelfotoner

sammanflätning

töjnings-justerbar

Optik och fotonik

Optics and Photonics

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)