De nombreuses applications en sciences nucléaires bénéficieraient d’un détecteur possédant une précision temporelle de 10 ps largeur à mi-hauteur à la mesure d’un photon unique. Par exemple, le projet de Time-Imaging Calorimeter en cours de conception au CERN requiert un détecteur possédant une telle précision temporelle afin de mesurer le temps de vol (TDV) et la trajectoire des particules émises lors des collisions dans les expériences du Large Hadron Collider (LHC), ce qui permet d’identifier ces dites particules. De plus, un détecteur possédant une précision temporelle de l’ordre de 10 ps permettra la mitigation de l’empilement des événements. Un second exemple est la tomographie d’émission par positrons (TEP), une modalité d’imagerie médicale non-invasive qui mesure la distribution d’un traceur radioactif afin d’étudier et détecter le cancer. Dans le but de développer un scanner TEP temps réel, le groupe de recherche en appareillage médical de Sherbrooke (GRAMS) travaille sur l’intégration de la mesure du TDV de l’interaction TEP. Les meilleures performances actuelles des détecteurs TEP se situent aux alentours de 150 ps, ce qui n’est pas suffisant pour intégrer le TDV dans un scanner TEP préclinique. Cette mesure exige une résolution temporelle TEP de l’ordre de 10 ps. La solution proposée par le GRAMS est de développer un module de comptage monophotonique (MCMP) 3D qui est composé d’une matrice de photodiodes avalanches monophotoniques (PAMP) reliée par des interconnexions verticales (TSV) à une matrice de circuits de lecture composée d’un circuit d’étouffement et d’un convertisseur temps-numérique. Ce détecteur permet donc de mesurer précisément le temps d’arrivée de chaque photon détecté. Ce document présente la conception du circuit d’étouffement réalisé en technologie CMOS 65 nm de TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) intégré à chaque pixel de 50 × 50 µm2 dans un MCMP 3D. Afin de répondre au besoin de précision temporelle de 10 ps dans un détecteur 3D, le circuit proposé est un circuit d’étouffement passif avec une recharge active possédant un amplificateur opérationnel en boucle ouverte à titre de comparateur de tension. L’amplificateur opérationnel utilisé possède un seuil ajustable de 0 à 2,5 V afin d’être en mesure d’évaluer le seuil optimal pour la mesure de gigue temporelle avec une PAMP. La taille finale du circuit d’étouffement est de 18 × 30 µm2 incluant l’amplificateur qui est d’une taille de 13 × 8 µm2, ce qui représente respectivement environ 22% et 4% de la taille totale du pixel. Le circuit d’étouffement possède une gigue temporelle de 4 ps largeur à mi-hauteur (LMH). Les résultats obtenus prouvent qu’il est possible d’intégrer de l’électronique de lecture de PAMP dans un MCMP 3D possédant des performances temporelles sous les 10 ps.

Thesis (MMed)--Stellenbosch University, 2013. / ENGLISH ABSTRACT: Background: Hybrid imaging using single photon emission computed tomography/low dose (x-ray) computed tomography (SPECT/LDCT) is of benefit in preoperative scintigraphy of primary hyperparathyroidism. The role of SPECT/LDCT in preoperative assessment of renal hyperparathyroidism has not yet been examined. The aim of the study was to determine whether SPECT/LDCT conferred any benefit over SPECT alone in terms of detection and/or localization of hyperfunctioning parathyroid tissue in this patient group. Methods: A retrospective study of patients with renal hyperparathyroidism and positive planar and SPECT scintigraphy was undertaken. All patients underwent planar scintigraphy using 99mTc-pertechnetate immediately followed by 99mTc-sestamibi as well as SPECT/LDCT 60 min after sestamibi injection and a delayed static image to assess for differential washout at 2-3 hours. Planar subtraction images were generated. For each patient, two nuclear physicians reported on planar+ SPECT images followed by planar + SPECT/LDCT images (assisted by a radiologist). Confidence for the presence of hyperfunctioning parathyroid tissue as well as confidence of location was scored on a Likert-type scale. Interpretation of planar + SPECT was compared with interpretation of planar + SPECT/LDCT. The impact of LDCT on equivocal lesions and number of ectopic lesions detected was also assessed. Results: Twenty patients (M:13; F:7) imaged between February 2008 and June 2011 were included [mean age: 40 years (24 – 55)]. Mean creatinine was 687 μmol/l (169-1213), mean corrected calcium: 2.55 mmol/l (1.95-3.33) and median PTH 167 pmol/l (2.4 - >201). Thirty-five lesions were detected on planar and SPECT and this was unchanged after assessment of the LDCT data. Confidence for the presence of parathyroid pathology changed in 5 patients (5 lesions) with the addition of LDCT. LDCT changed the mean confidence of parathyroid pathology from 3.17 to 3.29 (p=0.16). Addition of LDCT reduced the number of equivocal lesions from 18 (14 patients) to 14 (10 patients) (p=0.13). The addition of LDCT changed localization in 4 lesions (3 patients). Confidence in localization of pathology changed in 9 lesions (7 patients) and the mean localization confidence score was improved from 4.2 to 4.46 (p=0.002) with LDCT. The number of lesions classified as ectopic increased from 5 (on planar+SPECT) to 8 (with addition of LDCT) (p=0.25). Conclusion: In renal hyperparathyroidism SPECT/LDCT altered localization of lesions detected on planar and SPECT alone and improved reader confidence of localization accuracy. SPECT/LDCT conferred no additional benefit over SPECT in terms of detection, confidence of parathyroid pathology or ability to distinguish equivocal from non-equivocal parathyroid lesions. The addition of LDCT did not detect significantly more ectopic lesions. Whereas the minor improvement in reader confidence of localization (with addition of LDCT) was of questionable clinical significance, we speculate that the changed and presumably improved localization of lesions on SPECT/LDCT had potential clinical impact in a significant proportion of patients. On this basis we recommend the use of hybrid SPECT/LDCT in imaging of renal hyperparathyroidism when surgery is considered. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Agtergrond: Hibriedbeelding met enkelfoton emissie rekenaartomografie / lae dosis rekenaartomografie (EFERT/LDRT) is voordelig in pre-operatiewe beelding van primêre hiperparatiroïedisme. Die rol van EFERT/RT in pre-operatiewe evaluering van renale hiperparatiroïedisme is nog nie ondersoek nie. Die doel van hierdie studie was om in hierdie pasiëntgroep te bepaal of EFERT/RT 'n voordeel bo EFERT alleen verleen. Metode: 'n Retrospektiewe studie van pasiënte met renale hiperparatiroïedisme en positiewe planare en EFERT flikkergrafie is onderneem. Na die toediening van 99mTc-pertegnetaat is planare beelding op alle pasiënte gedoen, onmiddellik gevolg deur 99mTc-sestamibi sowel as EFERT/RT beelding 60 min na sestamibi inspuiting en 'n laat statiese beeld vir differensiële uitwas op 2-3 uur. Planare subtraksiebeelde is verkry. Twee kerngeneeskundiges het die planare + EFERT beelde van elke pasiënt gerapporteer, waarna die planare + EFERT/RT beelde met die hulp van 'n radioloog gerapporteer is. Sekerheid oor die teenwoordigheid van hiperfunksionerende paratiroïedweefsel sowel as die sekerheid oor die lokalisering daarvan, is op 'n Likert-tipe skaal verkry. Interpretasie van planare + EFERT is vergelyk met die interpretasie van planare + EFERT/RT. Die impak van LDRT op twyfelagtige letsels en die aantal ektopiese letsels waargeneem, is ook bepaal. Resultate: Twintig pasiënte (M:13; F:7) met beelding tussen Februarie 2008 en Junie 2011 is ingesluit [gemiddelde ouderdom: 40 jaar (24-55)] . Die gemiddelde kreatinien was 687 μmol/l (169-1213), gemiddelde gekorrigeerde kalsium 2.55 mmol/l (1.95-3.33) en mediaan PTH 167 pmol/l (2.4->201). Vyf en dertig letsels is op planare en EFERT beelde waargeneem en was onveranderd na assessering van die LDRT-data. Sekerheid oor die teenwoordigheid van paratiroïedpatologie het verander in 5 pasiënte (5 letsels) met die toevoeging van LDRT. LDRT het die gemiddelde sekerheid van paratiroïedpatologie van 3.17 tot 3.29 verander (p = 0.16). Toevoeging van LDRT het die aantal twyfelagtige letsels van 18 (14 pasiënte) tot 14 (10 pasiënte) verminder (p = 0.13). Die byvoeging van LDRT het die lokalisering in 4 letsels (3 pasiënte) verander. Sekerheid oor die lokalisering van patologie is in 9 letsels (7 pasiënte) verander en die gemiddelde lokalisering betroubaarheidswaarde is verbeter van 4.2 tot 4.46 (p = 0.002) met LDRT. Met die byvoeging van LDRT het die aantal letsels geklassifiseer as ektopies van 5 tot 8 (p = 0.25) toegeneem. Gevolgtrekking: In renale hiperparatiroïedisme het EFERT/RT die lokalisering van letsels wat op planare + EFERT beelding alleen waargeneem is, verander en die leser se vertroue om akkuraat te lokaliseer verbeter. EFERT/LDRT het geen bykomende voordeel bo EFERT in terme van die opsporing, sekerheid van paratiroïedpatologie of onderskeidingsvermoë tussen twyfelagtige teenoor nie-twyfelagtige paratiroïedletsels verleen nie. Met die byvoeging van LDRT is nie beduidend meer ektopiese letsels gevind nie. Terwyl die geringe verbetering in die sekerheid van lokalisering (met die byvoeging van LDRT) van twyfelagtige kliniese betekenis was, spekuleer ons dat die verandering en vermoedelik verbeterde lokalisering van letsels op EFERT/LDRT ʼn potensiële kliniese impak het in 'n beduidende aantal pasiënte. Die gebruik van EFERT/LDRT in die beelding van renale hiperparatiroïedisme wanneer chirurgie oorweeg word, word dus vir bogenoemde rede aanbeveel.

This thesis explores the use of single-photon avalanche diodes (SPADs) for visible light communications (VLC). The high sensitivity of SPADs can potentially enhance the performance of VLC receivers. However, a SPAD-based system has challenges that need to be addressed before it can be considered as a viable option for VLC. The first challenge is the susceptibility of SPAD-based receivers to variations in ambient light. The high sensitivity of SPADs is advantageous for signal detection, but also makes SPADs vulnerable to variations in ambient light. In this thesis, the performance of a SPAD-based receiver is investigated under changing lighting conditions. Analytical expressions to quantify performance are derived, and an experiment is conducted to gain further understanding of system performance. It is shown that a SPAD-based receiver is highly sensitive to illumination changes when on-off keying (OOK) is employed, and that pulse-position modulation (PPM) is a preferred modulation scheme as it is more robust. The second challenge is broadcasting to SPAD-based receivers with different capabilities. A traditional broadcasting scheme is time-sharing, whereby a transmitter sends data to receivers in an alternating manner. Broadcasting to SPAD-based receivers is challenging as receivers may have diverse capabilities. In this thesis, a new multiresolution modulation scheme is proposed, which can potentially improve system performance over the traditional timesharing approach. The performance of the proposed scheme is analyzed, and a proof-of-concept experiment is performed to demonstrate its viability.

This study examined the effect of neurotoxic chemical exposures on brain processes using Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT). A control group carefully screened for good health and minimal chemical exposures was compared to two groups of patients diagnosed with health problems following exposure to pesticides or to organic solvents.

L'utilisation de filtres plissés dans le domaine du traitement de l'air est extrêmement fréquente en raison de leur simplicité d'utilisation et de maintenance. Néanmoins, au cours du colmatage, la perte de charge augmente considérablement avec le dépôt de particules. Par conséquent le débit de filtration n'est plus maintenu et une détérioration des médias peut se produire. Il est essentiel de caractériser cette évolution en fonction des conditions opératoires pour mieux concevoir ces équipements. Les travaux ont consisté en une étude expérimentale de l'influence des conditions opératoires sur la géométrie du dépôt par des observations en Tomographie d'Émission MonoPhotonique. Une approche numérique a consisté, dans un premier temps, en une étude de la perméabilité de médias bien caractérisés afin de valider le code GeoDict. Dans un deuxième temps, une étude de la vitesse de l'air a été entreprise sur les médias plissés. La confrontation des résultats numériques avec les données expérimentales nous a permis une validation du code dans les gammes de propriétés des médias et de vitesses typiques. Concernant les médias bimodaux, l'acquisition rapide de données a permis de tester différentes corrélations analytiques afin de classifier les modèles existants d'une manière qui facilite leur utilisation. Si les résultats expérimentaux obtenus sur la localisation du dépôt préférentiel initial dans les filtres plissés sont encourageants, notamment vis-à-vis des simulations d'écoulement réalisées avec GeoDict, ceux issus des acquisitions sur les filtres précolmatés sont à prendre avec prudence et suggèrent d'apporter un certain nombre d'amélioration à notre technique / Pleated filters are widely used in air treatments because of the advantageous effective surface to overall dimension ratio they offer. Their major drawback though resides in their reduced lifetime which still needs to be controlled. Indeed, when clogging, the pressure drop considerably increases, the filtration flow is then no longer maintained which might lead to the deterioration of the media. It is then crucial to characterize the evolution of the pressure drop under operating conditions in order to best design these equipments. Part of our work consisted in studying how the operating conditions influence the geometry of the deposit. To do so, we used Single-Photon Emission Computed Tomography (SPECT), a non-destructive imaging technique that keeps intact the particle structuring. The visualization of aerosol deposit at the beginning of the filtration process allows observing preferential particle deposition on the whole height of the pleat. A numerical approach was used to study the permeability of bimodal fibrous media and we experimentally studied the local velocity as well as the biphasic flow inside pleated filter media. Comparison between experiments and simulations allowed us to validate the Geodict code for a wide range of media properties and velocities. Regarding bimodal fibrous media, the fast data acquisition has allowed testing several existing models which resulted in classifying them in a unique way. If the experimental results on the initial deposition in pleated filters are encouraging, those related to beforehand clogging point to several improvements regarding the technique we used

Le siècle dernier a vu l'accomplissement de la mécanique quantique, du traitement de l'information etde l'optique intégrée. Aujourd'hui, ces trois domaines se rencontrent pour donner naissance à l'optiqueintégrée pour les communications quantiques. Un des enjeux aujourd'hui dans ce domaine est ledéveloppement de sources de photons unique aux longueurs d’onde des télécommunications fibrés.Durant ce travail de thèse les émetteurs étudiés sont des boîtes quantiques d’InAsP épitaxiés parEPVOM (Epitaxie en Phase Vapeur aux OrganoMétalliques). On démontrera que ces objets uniquessont capables d’émettre des états quantiques de la lumière grâce à une expérience de dégroupement dephotons. De plus la spectroscopie de ces objets sera déduite des études résolues en temps. Lapossibilité d’intégrer ces objets au sein de nanocavité de taille ultime permet de modifier leur tauxd’émission spontanée, ainsi les résultats obtenus grâce aux cavités métalliques permettent d’observerune accélération de l’émission spontanée sur une large bande spectrale. Finalement il a été mis enévidence une forte modification de l’émission d’un ensemble de boîtes quantiques entre 4K et 300K,en utilisant une technique originale basé sur l’effet laser. / The last century saw the advent of quantum mechanics, information processing and integrated optics.These fields lead to the integrated optics for quantum communication. One of the challenges is thedevelopment of single photon sources operating at fiber’s telecommunication wavelength. In this workwe use quantum dots growth by MOVPE (MetalOrganic Vapour Phase Epitaxy). We demonstratethese emitters can generate some quantum state of light thanks to the antibunching experiment.Moreover the spectroscopy of these objects will be deducted by the time resolved spectroscopy. Thepossibility to integrate these sources in ultimate’s size cavity permits to modify the spontaneous rateemission, so the result obtain with metallic cavity permit to observe an acceleration of the spontaneousemission on a wide spectral band. Finally a strong emission modification of the quantum dot’sensemble between 4K and 300K will be presented by using an original way based on the laser effect.

Dans les dernières années nombre de matériaux lamellaires à dimensions réduites ont démontré des propriétés optiques remarquables. Cependant, la plupart des études ont porté sur le système parfait et le rôle des défauts en tant que centres optiques actifs restent encore largement inexploré. Le nitrure de bore hexagonal (h-BN) est l'un des candidats les plus prometteurs pour les dispositifs émetteurs de lumière dans la région de l’UV lointain, présentant une forte émission excitonique à 5,8 eV. Cependant, émission n’apparaît uniquement que dans des monocristaux très purs qui peuvent difficilement être obtenus que par des procédés de synthèse complexes. Les échantillons ordinaires de h-BN présentent des spectres d'émission plus complexes qui ont été généralement été attribuée à la présence de défauts structuraux. Malgré un grand nombre d'études expérimentales jusqu'à présent il n'a pas été possible d'attribuer cette émission additionnelle à des défauts structuraux bien définis. Nous abordons ici cette question fondamentale en adoptant une approche théorique et expérimentale combinant une technique de cathodoluminescence nanométriquement résolu avec une caractérisation structural résolu atomiquement par microscopie électronique a transmission et de l'état de l'art de simulations excitoniques. Très récemment, l'équipe d'Orsay a mis au point un système de détection de cathodoluminescence intégré au sein d'un microscope électronique à transmission à balayage. Cette expérience unique est maintenant en mesure de fournir des spectres d'émission complet avec une résolution aussi faible que quelques dizaines de MeV associés à une taille de sonde électronique du nanomètre. Une image hyper-spectrale cathodoluminescence peut donc être enregistrée en parallèle avec une image HAADF. La cathodoluminescence résolu au nanomètre sur quelques-couche chimiquement exfoliée de h-BN a montré que les spectres d'émission sont fortement inhomogènes dans les feuillets individuels. Les pics d'émission à proximité de l'exciton libre apparaissent dans des régions étendues. Les examens complémentaires par microscopie électronique à transmission à haute résolution permettent d'associer ces raies d'émission avec des défauts étendue dans le cristal tels que les défauts d'empilement et les plis des facetter. Au moyen de calculs ab-initio dans le cadre de la « Many Body perturbation theory » (GW) et l'équation de Bethe-Salpeter nous fournissons une description détaillée de la structure électronique et la réponse spectroscopique du nitrure de bore hexagonal en présence de défaut d’empilements. En particulier, nous montrons un bon accord avec les résultats expérimentaux, les excitons supplémentaires sont associées à des changements de symétrie locaux qui se produisent par des fautes d'empilement dans le cristal. Ce résultat sera ensuite étendu à des nanotubes de BN à parois multiples. Des émissions supplémentaires qui apparaissent à l'intérieur du gap présentent une localisation spatiale élevée, typiquement inférieure à 100 nm, et par conséquent ils peuvent être liés à des défauts ponctuels individuels. Lorsqu’ils sont adressés individuellement à travers une sonde électronique très ciblé, ils pourraient avoir un caractère d’émetteur de photon unique. Cette hypothèse a été récemment confirmée par des expériences combinant notre système de cathodoluminescence avec un interféromètre Handburry-Brown et Twiss (HBT). / Within the latest years number of layered materials at reduced dimensions have demonstrated remarkable optical properties. However most studies focused on perfect system and the role of defects as optical active centers remain still largely unexplored. Hexagonal boron nitride (h-BN) is one of the most promising candidates for light emitting devices in the far UV region, presenting a single strong excitonic emission at 5.8 eV. However, a single line appears only in extremely pure mono-crystals that can hardly be obtained only though complex synthesis processes. Common h-BN samples present more complex emission spectra that have been generally attributed to the presence of structural defects. Despite a large number of experimental studies up to now it was not possible to attribute specific emission features to well identify defective structures. Here we address this fundamental question by adopting a theoretical and experimental approach combining few nanometer resolved cathodoluminescence techniques with high resolution transmission electron microscopy images and state of the art quantum mechanical simulations. Very recently, the Orsay team has developed a cathodoluminescence detection system integrated within a scanning transmission electron microscope. This unique experimental set up is now able to provide full emission spectra with a resolution as low as few tens of meV associated with an electron probe size of one nanometer. A cathodoluminescence hyper-spectral image can thus be recorded in parallel with an HAADF image. Nanometric resolved cathodoluminescence on few-layer chemically exfoliated h-BN crystals have shown that emission spectra are strongly inhomogeneous within individual flakes. Emission peaks close to the free exciton appear in extended regions. Complementary investigations through high resolution transmission electron microscopy allow to associate these emission lines with extended crystal deformation such as stacking faults and folds of the planes. By means of ab-initio calculations in the framework of Many Body Perturbation Theory (GW) approximation and Bethe-Salpeter equation) we provide an in-depth description of the electronic structure and spectroscopic response of bulk hexagonal boron nitride in the presence of extended morphological modifications. In particular we show that, in a good agreement with the experimental results, additional excitons are associated to local symmetry changes occurring at crystal stacking faults. These result will then be extended to faceted multiwalled BN nanotubes, they display additional emission at the same energy as characterized within the flakes.

Quantentechnologien sind im Begriff sich von Laborversuchen zu effizienten Anwendungen zu entwickeln. Die Quantenzustände einzelner Photonen spielen dabei die Rolle als Bindeglied zwischen stationären Quantensystemen. Ein hybrider Ansatz wird verfolgt, um die Wechselwirkung gezielt zwischen im Wellenleiter geleiteten Photonen und gekoppelten Quantenemittern zu erreichen. Die Dissertation untersucht zwei zentrale Aspekte solcher hybriden photonischen Quantentechnologien: die effiziente Erzeugung von Photonen und die Optimierung von photonischen Strukturen. Der erste Teil dieser Arbeit behandelt die Entwicklung einer optischen Mikrotechnology. Integrierte nano-photonische Wellenleiter aus Siliziumnitrid wurden für die Kopplung zu Quantenemittern entworfen, optimiert und optisch untersucht. Das finale Design wurde erfolgreich in Kopplungsexperimenten verwendet, bei denen 42 % der Fluoreszenz eines einzelnen Moleküls an einen Wellenleiter gekoppelt wurde. Der zweite Teil der Arbeit untersucht zwei Einzelphotonenquellen. Zunächst wurde ein neuartiger Einzelphotonenemitter basierend auf Defektzentren in Zinkoxid optisch bei tiefen Temperaturen untersucht. Es konnte im Zuge dieser Arbeit erstmals gezeigt werden, dass die Photonen von nano-strukturiertem Zinkoxid sehr schmalbandige Emission aufweisen. Im letzten Teil, wird eine Einzelphotonenquelle bestehend aus einem organischen Molekül untersucht. Bei kryogenen Temperaturen wurden Lebenszeit-limitierte Linienbreiten auf den Molekülproben detektiert. Die Rabi-Oszillationen zwischen den Molekülzuständen konnten akkurat durch eine quantenmechanische Theorie beschrieben werden, wodurch die Vermessung der Dephasierung des Quantensystems durch die nanoskopische Umgebung präzise studiert werden konnte. Die Ergebnisse dieser Arbeit zur Kopplung von Einzelphotonenquellen stellen die Grundlage für weitere Anwendungen durch eine photonische Quantentechnologie dar. / Quantum technologies are on the verge to transition from laboratory experiments to efficient integrated applications. The quantum states of photons are the connecting link between individual stationary quantum systems. A hybrid approach is employed to tailor the interaction of routed photons with optically coupled quantum systems. The thesis investigates two core aspects of a hybrid photonic quantum technology: efficient single photon generation and optimized photonic micro-structures, suitable to form a hybrid system. In the first part of this work, nano-photonic integrated structures were optimized for efficient coupling to quantum emitters. Optical waveguides based on silicon nitride (SiN) were designed, fabricated, and optically characterized. The final design was successfully employed in coupling experiments, where up to 42% of the fluorescence from a single molecule was coupled to a waveguide. In the second part of this thesis two single photon sources are investigated towards their implementation into a hybrid photonic system. First, a novel single photon source based on a defect center in zinc oxide was optically investigated at room-temperature and cryogenic temperature. Spectrally narrow zero-phonon lines of the fluorescence from nano-structured zinc oxide were measured for the first time during this work. A second emitter system, based on an organic dye molecule was investigated in the final part of this research. At cryogenic temperatures, single molecules showed lifetime-limited linewidths of <50MHz. A resonant laser source drives Rabi oscillations, which are accurately described by the quantum mechanical theory of a two-level system. The system's decoherence was mapped, illustrating the quantum sensing capabilities of the system. The results presented in this thesis on coupling efficiencies and single emitter performance provide the necessary background of the elements composing a future hybrid technology.

Die Nutzung von Quanteneigenschaften für die Informationsverarbeitung, die sogenannte Quanteninformationsverarbeitung (QIP), ist ein seit zwei Jahrzehnten zunehmend populäres Forschungsfeld. Es hat sich gezeigt, dass Einzelphotonen die am besten geeigneten Träger für den Transport von Quanteninformation über weite Strecken sind. Obwohl viele Methoden zur Erzeugung von Einzelphotonen existieren, wurde bisher nur wenig Forschungsarbeit an schmalbandigen Einzelphotonen, d.h. mit spektralen Breiten im MHz-Bereich geleistet. Allerdings sind solche Einzelphotonen besonders wichtig, wenn Kopplungen zwischen Einzelphotonen und atomaren Systemen, die oft als Verarbeitungseinheiten in der QIP genutzt werden, realisiert werden sollen. Diese Doktorarbeit befasst sich mit mehreren Forschungsaspekten zu schmalbandigen Einzelphotonen, die von Bedeutung sind, wenn solche Photonen als Informationsträger genutzt werden sollen. Zunächst wird eine Quelle von schmalbandigen Einzelphotonen vorgestellt, die auf dem Konzept der parametrischen Fluoreszenz innerhalb eines optischen Resonators basiert und die einen konstanten Strom von Photonenpaaren emittiert. Eine statistische Beschreibung dieser Photonenpaare wird vorgestellt und erstmals direkt gemessen. Um Emission in nur eine einzelne Mode zu erreichen, wurde der Photonenstrom mit Hilfe eines speziell entwickelten Mehrpass-Fabry-Perot-Etalons mit geringem Durchlassbereich und sehr hohem Kontrast gefiltert. Photon-Atom-Wechselwirkungen werden im zweiten Teil der Arbeit gezeigt. Der Effekt der elektromagnetisch induzierten Transparenz (EIT) wird vorgestellt und experimentell demonstriert. Die ersten EIT Experimente in Cäsiumgaszellen bei Raumtemperatur mit Probepulsen, die nur ein einzelnes Photon enthalten, werden demonstriert. Schließlich zeigt ein umfassender Ausblick wie die entwickelten experimentellen Bausteine erweitert werden können, um Einzelphotonenspeicherung zu erlauben und die Technologie für Quantenrepeater zu demonstrieren. / The use of quantum mechanical properties for information processing, so-called quantum information processing (QIP) has become an increasingly popular research field in the last two decades. It turned out that single photons are the most reliable long distance carriers of quantum information, e.g., tools to connect different processing nodes in QIP. While several methods exist to produce single photons, only little research has been performed so far on narrow-band single photons with spectral bandwidths in the MHz regime. Such photons are, however, of particular importance when coupling of single photons to atomic systems, which are often used in QIP as processing nodes, shall be realized. This thesis covers several research aspects on narrow-band single photons, all of which are important if such photons should be used as quantum information carriers. At first, a source for narrow-band single photons is introduced. This source is based on the concept of parametric down-conversion inside an optical resonator. It emits a constant stream of photon pairs. One of the two photons from the pair can be detected heralding the presence of the other photon. A statistical description of these photon pairs is introduced and for the first time also directly measured. In order to reach single-mode single-photon emission, the stream of photons was filtered with a specifically developed multi-pass Fabry-Perot etalon. This filter has a passband FWHM of only 165 MHz and particularly high contrast.

Das Ziel dieser Dissertation ist das Schließen der radiometrischen Lücke zwischen der klassischen Radiometrie und der Radiometrie im Bereich weniger und einzelner Photonen. In dieser Arbeit wurden dazu zwei wesentliche Themen bearbeitet. Erstens, die Charakterisierung und Validierung eines neuen radiometrischen Detektorprimärnormals für den Wellenlängenbereich von 400 nm bis 800 nm basierend auf Silizium-Photodioden. Dieses neuartige Primärnormal kann sowohl in der Radiometrie im Bereich weniger Photonen als auch in der klassischen Radiometrie eingesetzt werden, der sogenannte “Predictable Quantum Efficient Detector” (PQED). Der PQED wurde im Rahmen dieser Arbeit charakterisiert und experimentell validiert. Für die Validierung war es nötig, die relativen Unsicherheiten der klassischen Radiometrie und insbesondere der Kryoradiometrie, deutlich zu verringern. Mit der Inbetriebnahme eines neuen Kryoradiometers wurde das Ziel, in den Unsicherheitsbereich von ca. 10E−5 vorzudringen, erreicht. Zweitens, es wurde eine Kalibriermethode für Einzelphotonendetektoren eingesetzt, rückgeführt auf das internationale Einheitensystem, die auf den einzigartigen Eigenschaften von Synchrotronstrahlung basiert. Diese Methode kann benutzt werden um sowohl Freistrahl- als auch fasergekoppelte Einzelphotonendetektoren bei praktisch jeder gewünschten Wellenlänge zu kalibrieren und erreicht im Moment die weltweit geringsten Messunsicherheiten. Mit dem neuen Kryoradiometer, dem PQED und dem auf Synchrotronstrahlung basierenden Kalibrierverfahren sind die erreichbaren Messunsicherheiten in der Radiometrie im Bereich von wenigen Photonen bis zu Strahlungsleistungen im Milliwattbereich deutlich reduziert worden. / This thesis addresses the bridging of the radiometric gap in the transition from classical radiometry to the few and single photon radiometry. In this context, two main tasks were emphasised. First: A new radiometric primary detector standard for wavelengths between 400 nm and 800 nm, suitable for classical and few photon radiometry, the so-called “Predictable Quantum Efficient Detector” (PQED) was characterised and validated. For the validation of the PQED, the relative uncertainties achievable in classical radiometry and, in particular, with cryogenic radiometers had to be reduced to a level of 10E−5 with the commissioning of a new cryogenic radiometer facility. Second: A calibration method for single photon detectors in the visible and NIR has been used which is based on the unique properties of synchrotron radiation. This calibration method allows radiometric single photon detector calibrations with the lowest uncertainties reported so far. This method can be used to calibrate free space and fibre-coupled single photon detectors traceable to the international system of units at practically every desired optical wavelength. With the new cryogenic radiometer, the PQED, and the calibration method based on synchrotron radiation, the uncertainties in radiometry have been significantly reduced in the range from milliwatts of radiant power down to attowatts corresponding to a few photons per second.