Semiconductor quantum dots (QDs) are prime candidates for single and entangled photon sources in quantum information technologies due to their unique optical properties. This thesis investigates the development of QD sources operating at the telecom C-band ---around 1550 nm---, a critical aspect for long-distance applications in optical fibers. The research focuses on the design and optimization of InAs/GaAs QDs for efficient single photon emission within the telecom C-band. This thesis delves into the optimization of the quantum dot environment, by etching its matrix as a microlens (ML). The design process utilizes both simulations and lab fabrication techniques to achieve a source with high single photon throughput, a key requirement for quantum key distribution (QKD). To achieve this, the design optimizes factors such as material growth techniques, device structures, and microlens array configuration to enhance light collection efficiency by a microscope objective and Purcell effect for higher single-photon emission rate. The optimized microlens geometries, particularly the Gaussian and hemispherical shapes, significantly enhanced light extraction efficiency by the objective, achieving up to 40\% and 35\% respectively. The combined fabrication techniques of FIB milling, photolithography, and dry etching resulted in upgraded optical properties and minimal scattering in the microlenses. Furthermore, this work builds upon previous research conducted at the Royal Institute of Technology (KTH). The Quantum Nano Photonics (QNP) group successfully employed QDs to generate entangled photon states. This thesis extends this research by focusing on the design and optimization of a telecom C-band QD source suitable for long-distance transmission through existing fiber optic infrastructure over the Greater Stockholm Metropolitan Area, i.e. between the QNP-group lab at KTH AlbaNova campus and Ericsson HQ, in Kista, Stockholm. The feasibility of such transmission is explored by demonstrating the transmission of single photons from a QD source in the QNP lab at KTH to Ericsson's lab. This thesis contributes to the advancement of QD-based telecom C-band photon sources for future quantum communication networks, with a specific focus on microlens design and fabrication for enhanced single-photon emission efficiency. / Halvledarkvantprickar (QD) är utmärkta kandidater för enstaka och sammanflätade fotonkällor i kvantinformationsteknik på grund av deras unika optiska egenskaper. Denna avhandling undersöker utvecklingen av QD-källor som strålar på telekom C-band ---cirka 1550 nm---, en kritisk aspekt för långdistansapplikationer i optiska fiber. Forskningen fokuserar på design och optimering av InAs/GaAs QDs för effektiv emission av enstaka fotoner inom telekom C-bandet. Denna avhandling fördjupar sig i utformningen av kvantprickarkällan, med hjälp av en mikrolins (ML) array. Designprocessen använder både simuleringar och tillverkningstekniker för att uppnå en källa med hög enfotonrenhet, ett viktigt krav för kvantnyckeldistribution (QKD). För att uppnå detta optimerar designen faktorer som materialtillväxttekniker, enhetsstrukturer och mikrolinskonfiguration för att förbättra ljusinsamlingseffektiviteten och Purcell-effekten för ljusare och snabbare emission av enstaka fotoner. De optimerade mikrolinsgeometrierna, särskilt de gaussiska och halvsfäriska formerna, förbättrade avsevärt ljusextraktionseffektiviteten och nådde upp till 40\% respektive 35\%. De kombinerade tillverkningsteknikerna FIB-fräsning, fotolitografi och torretsning resulterade i uppgraderade optiska egenskaper och minimal spridning i de mikrolinserna. Vidare bygger detta arbete på tidigare forskning som bedrivits vid Kungliga Tekniska Högskolan (KTH). Quantum Nano Photonics-gruppen (QNP) använde framgångsrikt QD för att generera sammanflätade fotontillstånd. Denna avhandling utvidgar denna forskning genom att fokusera på design och optimering av en telekom C-band QD-källa lämplig för långdistansöverföring genom befintlig fiberoptisk infrastruktur över Storstockholmsområdet, dvs. mellan QNP-gruppens labb på KTH AlbaNova campus och Ericssons huvudkontor i Kista, Stockholm. Genomförbarheten av sådan överföring undersöks genom att demonstrera överföringen av enstaka fotoner från en QD-källa i QNP-labbet på KTH till Ericssons labb. Denna avhandling bidrar till utvecklingen av QD-baserade C-bandsfotonkällor för framtida kvantkommunikationsnätverk, med ett specifikt fokus på mikrolinsarraydesign för förbättrad renhet och emissionseffektivitet för enskilda fotoner. Arbetet bygger på tidigare forskning om generering av kvantsammanflätning och banar väg för säkra kvantkommunikationsnätverk över långa avstånd.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-348383 |
| Date | January 2024 |
| Creators | Larrondo, Jorge |
| Publisher | KTH, Tillämpad fysik |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-SCI-GRU ; 2024:070 |
Page generated in 0.8263 seconds