Dissertation
InP - based quantum dots for telecom wavelengths ranges
Abstract
Long-distance quantum communication applications require sources of single photons, emitting
at telecom wavelengths (around 1550 nm) with minimum attenuation losses of silica fiber.
Semiconductor self-assembled InAs/InP-based quantum dots (QDs) are possible candidates to
reach this spectral region. One of the challenges on the way is a QD asymmetry, which limits
the fidelity of entangled photons. Therefore, morphological and optical properties of QDs
should be improved in order to achieve the necessary quality and intensity level of emitted
photons.
In this dissertation QDs are grown in the ultra-high vacuum by using the solid-source
molecular beam epitaxy. QDs are systematically characterized with low-temperature microphotoluminescence
and other techniques. Different growth parameters and sample structures
are optimized in order to achieve high-quality and low QDs density combined with the emission
at telecom wavelength. Distributed Bragg reflectors and photonic crystal micro-cavities
are also grown and fabricated in order to enhance QD emission. All necessary technical details
and fundamental growth processes are included and discussed. Achieved state of the art
results are a promising indication of InAs/InP QDs being used as an on-demand source of
polarization-entangled photons.
This PhD thesis is organized as follows: Chapter 1 contains brief introduction and motivation
of the current work. Chapter 2 provides the necessary theoretical background. Chapter 3
is a description of experimental methods. In Chapter 4 experimental approach and results of
the epitaxial growth process are described. Chapter 5 contains results of QDs integration with
a distributed Bragg reflector, including statistical micro-photoluminescence measurements of
self-assembled QDs. Growth, fabrication and characterization of photonic crystal microcavity
structures with embedded single QDs are presented in Chapter 6. Finally, Chapter 7 summarizes
the work.
at telecom wavelengths (around 1550 nm) with minimum attenuation losses of silica fiber.
Semiconductor self-assembled InAs/InP-based quantum dots (QDs) are possible candidates to
reach this spectral region. One of the challenges on the way is a QD asymmetry, which limits
the fidelity of entangled photons. Therefore, morphological and optical properties of QDs
should be improved in order to achieve the necessary quality and intensity level of emitted
photons.
In this dissertation QDs are grown in the ultra-high vacuum by using the solid-source
molecular beam epitaxy. QDs are systematically characterized with low-temperature microphotoluminescence
and other techniques. Different growth parameters and sample structures
are optimized in order to achieve high-quality and low QDs density combined with the emission
at telecom wavelength. Distributed Bragg reflectors and photonic crystal micro-cavities
are also grown and fabricated in order to enhance QD emission. All necessary technical details
and fundamental growth processes are included and discussed. Achieved state of the art
results are a promising indication of InAs/InP QDs being used as an on-demand source of
polarization-entangled photons.
This PhD thesis is organized as follows: Chapter 1 contains brief introduction and motivation
of the current work. Chapter 2 provides the necessary theoretical background. Chapter 3
is a description of experimental methods. In Chapter 4 experimental approach and results of
the epitaxial growth process are described. Chapter 5 contains results of QDs integration with
a distributed Bragg reflector, including statistical micro-photoluminescence measurements of
self-assembled QDs. Growth, fabrication and characterization of photonic crystal microcavity
structures with embedded single QDs are presented in Chapter 6. Finally, Chapter 7 summarizes
the work.
Langstrecken Quantenkommunikationsanwendungen erfordern Einzelphotonen-Quellen, die
bei Telekom-Wellenlängen (1550 nm) mit minimaler Dämpfung von Glasfasern emittiert werden.
Selbstorganisierte Halbleiter-InAs/InP-basierte Quantenpunkten (QP) sind mögliche Kandidaten,
um diesen spektralen Bereich zu erreichen. Eine der Herausforderungen auf dem Weg
ist eine QP-Asymmetrie, die die Messgenauigkeit von verstrickten Photonen begrenzt. Daher
sollten die morphologischen und optischen Eigenschaften von QP verbessert werden, um die
erforderliche Qualität und Intensität der emittierten Photonen zu erreichen.
In dieser Dissertation werden QP unter Ultrahochvakuum mithilfe von Molekularstrahlepitaxie
angewachsen. QP werden systematisch mit Niedertemperatur-Mikro- Photolumineszenz
und anderen Techniken charakterisiert. Verschiedene Wachstumsparameter und Probenstrukturen
werden optimiert, um eine hohe Qualität und niedrige QP-Dichte in Kombination mit
der Emission bei Telecom-Wellenlänge zu erreichen. Verteilte Bragg-Reflektoren und photonische
Kristall-Mikrokavitäten werden ebenfalls angewachsen und hergestellt, um die QPEmission
zu erhöhen. Alle notwendigen technischen Details und grundlegenden Wachstumsprozesse
werden einbezogen und diskutiert. Die aktuellen Forschungsergebnisse geben den
vielversprechenden Hinweis, dass InAs/InP QP als on-demand-Quelle für polarisationsverstrickte
Photonen dienen können.
Diese Doktorarbeit ist wie folgt aufgebaut: Kapitel 1 enthält eine kurze Einführung und
Motivation der aktuellen Arbeit. Kapitel 2 liefert den notwendigen theoretischen Hintergrund.
Kapitel 3 ist eine Beschreibung experimenteller Methoden. In Kapitel 4 werden experimentelle
Ansätze und Ergebnisse des Epitaxien-Wachstumsprozesses beschrieben. Kapitel 5
enthält Ergebnisse der QP-Integration mit verteilten Bragg-Reflektoren, einschließlich statistischer
Mikrophotolumineszenzmessungen selbstorganisierender QP. Wachstum, Herstellung
und Charakterisierung photonischer Mikrokavitäts-Strukturen mit eingebetteten Einzel-QP
sind in Kapitel 6 dargestellt. Schließlich fasst Kapitel 7 die Arbeit zusammen.
bei Telekom-Wellenlängen (1550 nm) mit minimaler Dämpfung von Glasfasern emittiert werden.
Selbstorganisierte Halbleiter-InAs/InP-basierte Quantenpunkten (QP) sind mögliche Kandidaten,
um diesen spektralen Bereich zu erreichen. Eine der Herausforderungen auf dem Weg
ist eine QP-Asymmetrie, die die Messgenauigkeit von verstrickten Photonen begrenzt. Daher
sollten die morphologischen und optischen Eigenschaften von QP verbessert werden, um die
erforderliche Qualität und Intensität der emittierten Photonen zu erreichen.
In dieser Dissertation werden QP unter Ultrahochvakuum mithilfe von Molekularstrahlepitaxie
angewachsen. QP werden systematisch mit Niedertemperatur-Mikro- Photolumineszenz
und anderen Techniken charakterisiert. Verschiedene Wachstumsparameter und Probenstrukturen
werden optimiert, um eine hohe Qualität und niedrige QP-Dichte in Kombination mit
der Emission bei Telecom-Wellenlänge zu erreichen. Verteilte Bragg-Reflektoren und photonische
Kristall-Mikrokavitäten werden ebenfalls angewachsen und hergestellt, um die QPEmission
zu erhöhen. Alle notwendigen technischen Details und grundlegenden Wachstumsprozesse
werden einbezogen und diskutiert. Die aktuellen Forschungsergebnisse geben den
vielversprechenden Hinweis, dass InAs/InP QP als on-demand-Quelle für polarisationsverstrickte
Photonen dienen können.
Diese Doktorarbeit ist wie folgt aufgebaut: Kapitel 1 enthält eine kurze Einführung und
Motivation der aktuellen Arbeit. Kapitel 2 liefert den notwendigen theoretischen Hintergrund.
Kapitel 3 ist eine Beschreibung experimenteller Methoden. In Kapitel 4 werden experimentelle
Ansätze und Ergebnisse des Epitaxien-Wachstumsprozesses beschrieben. Kapitel 5
enthält Ergebnisse der QP-Integration mit verteilten Bragg-Reflektoren, einschließlich statistischer
Mikrophotolumineszenzmessungen selbstorganisierender QP. Wachstum, Herstellung
und Charakterisierung photonischer Mikrokavitäts-Strukturen mit eingebetteten Einzel-QP
sind in Kapitel 6 dargestellt. Schließlich fasst Kapitel 7 die Arbeit zusammen.