Die enormen Fortschritte im Bereich der Halbleiter-Nanotechnologie haben es in den letzten Jahren erlaubt, quantenoptische Phänomene nicht nur in atomaren Systemen, sondern auch mehr und mehr in Festkörpern zu beobachten. Von besonderer Bedeutung ist hierbei die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie im Rahmen der Kavität-Quantenelektrodynamik, kurz cQED. Das große Interesse an diesem sehr aktiven Feld der modernen Quantenoptik erklärt sich über die mögliche Anwendung von cQED-Effekten in neuartigen Lichtquellen und Elementen der Quanteninformationsverarbeitung. Halbleiterstrukturen zeichnen sich in diesem Zusammenhang durch eine potentiell hohe Skalierbarkeit sowie ein kompaktes und effzientes Design aus. Die gewünschte Wechselwirkung kann jedoch nur in qualitativ hochwertigen Halbleiterstrukturen mit quasi nulldimensionalem Licht- und Ladungsträgereinschluss realisiert werden. Daher wird weltweit mit hohem technologischen Aufwand an der Realisierung von Mikroresonatoren mit Quantenpunkten als diskrete Photonenemitter geforscht. Erste Erfolge auf diesem Gebiet haben es erlaubt, Licht-Materie-Wechselwirkung im Regime der schwachen, von dissipativen Verlusten geprägten Kopplung zu verwirklichen. Vor diesem Hintergrund beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit dem kohärenten Kopplungsverhalten zwischen einzelnen Quantenpunkt-Exzitonen und dem Vakuumfeld von Mikroresonatoren. Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, den experimentellen Nachweis der starken Kopplung in III-V Fabry-Pérot Mikroresonatoren mit Quantenpunkten als aktive Schicht zu erbringen. Darüber hinaus wird aber auch die kohärente Kopplung von zwei Quantenpunkt-Exzitonen über das Vakuumfeld des Resonators experimentell untersucht. Quantenpunkt-Mikroresonatorstrukturen sind aufgrund ihrer hohen Güten und großen Purcell-Faktoren weiterhin prädestiniert für den Einsatz als Mikrolaser mit sehr geringer Laserschwelle. Neben der Herstellung und Charakterisierung von Mikrolasern mit großen Q-Faktoren befasst sich die vorliegende Arbeit mit dem Einfluß einzelner Quantenpunkt-Exzitonen auf das Lasing-Verhalten eines Mikroresonators, mit dem Fernziel einen Einzelquantenpunkt-Laser zu realisieren. Für die Verwirklichung dieser beiden Hauptziele werden Mikroresonatoren höchster Güte benötigt. Dies stellt enorme Anforderungen an die Technologie der Mikroresonatoren. Der vertikale Aufbau der hier vorgestellten GaAs/AlAs Fabry-Pérot Mikroresonatoren mit ihren InGaAs-Quantenpunkten als aktive Schicht wird mittels Molekularstrahlepitaxie realisiert.... / The enormous progress in semiconductor nanotechnology has allowed observing quantumoptical phenomena so far not only in atomic systems but also in solids. Interaction between light and matter in the context of cavity quantum electrodynamics (cQED) have drawn particular attention from many researcher, because possible application of cQED effects in new types of light sources and elements of quantum information processing is a highly compelling research perspective. Semiconductor structures are distinguished in this context by a potentially high scalability, as well as a compact and efficient design. The desired interaction can only be realized in high-quality semiconductor structures with quasi zero-dimensional confinement for light and carrier. Therefore, the realization of microresonators with quantum dots as discrete photon emitters pushed this field of research forward, worldwide. The first breakthrough in this area demonstrated the interaction between light and matter in the regime of weak coupling, dominated by dissipative coupling losses. Considering this background, the present work deals with the coherent coupling behavior between individual quantum dot excitons and the vacuum field of microresonators. The main goal of this work is the experimental proof of strong coupling between III-V Fabry-Pérot microresonators and quantum dots used as an active medium. In addition, the coherent coupling of two quantum dot excitons and the vacuum field of the resonator is experimentally investigated. Quantum dot microresonator structures are furthermore predestined to be used as microlasers with very low laser threshold resulting from their high quality and large Purcell factors. Apart from fabrication and characterization of the microlasers with large Q-factors, the present work studies the influence of an individual quantum dot exciton on the lasing behavior of a microcavity to realize the ultimate goal of a single quantum dot laser. For the realization of both goals microresonators with highest quality factors are required. This puts enormous pressure on the technological development of microresonators. The vertical structure of the presented GaAs/AlAs Fabry-Pérotmicroresonators with InGaAs quantum dots as the active region is realized by molecular beam epitaxy. The lateral structure of the microresonators is transmitted to the probe material by high-resolution electron beam lithography. A dry chemical etching process formed the cylindrical shape of the resonator. The experimental approach to the coupling behavior between quantum dot excitons with the vacuum field of the resonator is mainly studied by high-resolution microphotoluminescence spectroscopy.

Absorption plays a critical role in a variety of optical applications – sometimes it is desirable to minimize it as in optical fibers and waveguides, or to enhance it as in solar cells and photodetectors. We describe here a new optical scheme that controllably produces high optical absorption over a broad wavelength range (hundreds of nm) in systems that have low intrinsic absorption over the same range. This effect, 'coherent perfect absorption' or CPA, arises from a subtle interplay between interference and absorption of two beams incident on a weakly absorbing medium. In the first part of this study, we present an analytical model that captures the relevant physics of CPA in one-dimensional photonic structures. This model elucidates an absorption-mediated interference effect that underlies CPA – an effect that is normally forbidden in Hermitian systems, but is allowed when conservation of energy is violated due to the inclusion of loss. As a concrete example, we consider a Fabry-Pérot resonator containing a lossy dielectric and confirm this model through a computational study of a 1-micron-thick silicon layer in a cavity formed of dispersive mirrors with aperiodic multilayer design. We confirm that one may achieve 100% absorption in this thin silicon layer (whose intrinsic absorption is only ~ 3%) in the near-infrared. We then design two device models using few-micron-thick aperiodic planar dielectric mirrors and demonstrate (computationally, as well as experimentally) spectrally flat, coherently enhanced absorption at the theoretical limit in a 2-micron-thick film of polycrystalline silicon embedded in symmetric and asymmetric cavities. This coherent effect is observed over an octave-spanning wavelength range of ~800 – 1600 nm utilizing incoherent light in the near-infrared, exploiting mirrors that have wavelength-dependent reflectivity devised to counterbalance the decline in silicon's intrinsic absorption at long wavelengths. We anticipate that the design principles established here may be extended to other materials, broader spectral ranges, and large surface areas. Finally, we study the effect of the angle of incidence on CPA in planar structures. The results of this study point to a path for realizing CPA in such systems continuously over large bandwidths.

L’objet de cette thèse de doctorat est la conception et la construction d’une horloge atomique réalisée sur un microcircuit à atomes (TACC) et améliorée par l’intrication. L’élément principal de cette nouvelle expérience est un micro-résonateur Fabry Pérot qui permet la génération d’états de spin comprimés de l'ensemble atomique grâce aux interactions entre la lumière et les atomes. Il a déjà été montré que ces états peuvent améliorer les performances métrologiques des horloges atomiques. Cependant, les expériences ayant permis cette démonstration de principe n'ont pas encore atteint un niveau de précision présentant un intérêt métrologique. C’est précisément l'objectif de la nouvelle configuration expérimentale que nous proposons ici. Afin de conserver la compacité et la stabilité de notre installation, nous avons choisi d’utiliser une cavité Fabry-Pérot fibrée (fibered Fabry-Pérot, FFP) comme résonateur optique, dans lequel les miroirs du résonateur sont réalisés sur la pointe de fibres optiques. Pour répondre aux exigences de notre expérience, une nouvelle génération de résonateurs FFP a été développée au cours de cette thèse, les plus longs réalisés à ce jour. A cette fin, nous avons développé une procédure d’ablation par tirs multiples à l'aide d'un laser CO$_2$ focalisé, qui permet la mise en forme des surfaces de silice fondue avec une précision et une polyvalence sans précédent.L'intégration du résonateur optique au dispositif expérimental TACC nécessite une conception nouvelle du microcircuit à atomes, qui doit permettre le transport du nuage atomique jusqu’au résonateur. Nous présenterons donc la conception et la fabrication de ce microcircuit à atomes. / This thesis describes the conception and construction of an “entanglement-enhanced” trapped atom clock on an atom chip (TACC). The key feature of this new experiment is the integration of two optical Fabry-Pérot micro resonators which enable generation of spin-squeezed states of the atomic ensemble via atom-light interactions and non-destructive detection of the atomic state. It has been shown before that spin-squeezed states can enhance the metrological performance of atomic clocks, but existing proof-of-principle experiments have not yet reached a metrologically relevant level of precision. This is the first goal of the new setup. To retain the compactness and stability of our setup, we chose the optical resonator to be a fiber Fabry-Pérot (FFP) resonator where the resonator mirrors are realized on the tip of optical fibers. To meet the requirements of our experiment, a new generation of FFP resonators was developed in the context of this thesis, demonstrating the longest FFP resonators to date. For this purpose, we developed a “dot milling” procedure using a focused CO2-laser that allows shaping of fused silica surfaces with unprecedented precision and versatility. Incorporating optical resonators in the TACC system requires a new atom chip design, allowing transportation of the atom cloud into the resonator. We present the design and the fabrication of this atom chip. The completed setup will enable investigations of the interplay of spin-dynamics in presence of light mediated correlations and spin-squeezing at a metrologically relevant stability level of $10^{-13}$ at 1 s.