Modulation of the optical properties of quantum dots by surface acoustic waves

Autor: Schetelat, Tanguy
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2023
Předmět:
Druh dokumentu: Text
Popis: Semiconductor quantum dots (QDs) are considered to be a crucial part of future quantum technologies due to their enormous potential as efficient sources of single and indistinguishable photons. Single photons are necessary to transport quantum information over large distances through the existing global fibre optic network. A major requirement for these single photon sources is the possibility to precisely control and tune their emission wavelength. Due to the solid-state nature of quantum dots, this is achievable through the use of optomechanical coupling. The focus of this thesis is to modulate the optical properties of single quantum dots via the deformation potential induced by surface acoustic waves (SAWs). These mechanical waves, which propagate along the surface of a crystal, can easily be excited electrically by interdigital transducers (IDTs) on a piezoelectric substrate. Here, we study the generation of SAWs by self-made IDTs on lithium niobate (LiNbO3). The frequency responses of multiple IDTs of different designs are detailed using the delta-function model. These theoretical predictions are corroborated by our numerical results based on a finite element method, as well as our experimental measurements at room and cryogenic temperatures. We show that although a SAW frequency of 1 GHz can be achieved with a single-electrode IDT with an electrode width of 1 μm, similar excitation frequencies can be reached through harmonic generation using multiple-electrode IDTs, without requiring as thin electrodes. We demonstrate that internal mechanical reflections are significantly reduced for floating-electrode IDTs, and measure efficient low-noise SAW generation at 1.54 GHz using a Split-52 design. Transducers with a frequency chirped design, allowing for SAW excitation over broad frequency bands rather than only at discrete frequencies, are discussed, and a resonance bandwidth of 140 MHz is measured for one such IDT. The modulation of the optical properties of QDs interfaced with the resulting SAWs is studied theoretically using the k・p method. Based on an eight-band Hamiltonian approach, the band structures of several III-V semiconductors under different strain conditions are computed. The photoluminescence (PL) spectrum of a QD coupled to a SAW is derived, and exhibits a spectral broadening of a few meVs consistent with recent experimental findings from the literature. Finally, we interface single InAsP QDs embedded in InP tapered nanowires with our IDTs in the perspective of measuring the modulation of their PL emission.
Halvledarkvantprickar anses vara en kritisk del av framtida teknologier tack vare deras potential som en källa av enstaka och o-skiljaktiga fotoner. Enstaka fotoner är nödvändiga för att transportera kvantinformation långa sträckor genom de redan existerande globala optiska fibernätverken. Ett stort krav på dessa enstaka fotonkällorna är deras möjlighet att noggrant kontrollera deras våglängd. För kvantprickar är detta möjligt genom med optomekaniska koppling. Fokuset för detta projekt har varit att modulera de optiska egenskaperna av enstaka kvantprickar med hjälp av akustiska ytvågor (SAWs). Dessa mekaniska vågor som proparagerar längs ytan av en kristall kan enkelt genereras med "interdigital transducers" (IDTs) placerade på ett piezo-elektriskt substrat. Vi studerar hur SAWs genereras av egentillverkade IDTs på litium niobat (LiNbO_3). Frekvenses responsen av multipla IDTs av olika designer beskrivs med delta-funktions modelen. Dessa teoretiska förutsägningar styrks av våra numeriska resultat baserade på finita element metoden, samt våra experimentella resultat vis rums- och cryogeniska temperaturer. Vi visar att även om SAW frekvens på 1 GHz kan uppnås med hjälp av enstaka singel elektrod IDTs, med en elektrod bred på 1 μm, liknande excitation frekvenser kan nås med hjälp av harmonisk generation av multipla electrode IDTs, utan krav på lika tunna elektroder. Vi demonstrerar att interna mekaniska reflectioner minskar markant för flytande-elektrod IDTs, med en uppmätt effektiv låg brusnivå SAW generering vid 1.54 GHz med hjälp av en Split-52 design. Vi diskuterar användandet av transducers ned en frekvens-chirped design som möjliggör SAW excitation över breda frekvensband tillskillnad från diskreta frekvenser och en resonant bandbredd på 140 MHz uppmäts för en IDT. Moduleringen av de optiska egenskaperna av kvantprickar integrerade med SAW studeras teoretiskt med k・p metoden. Baserade på en åtta-bandig Hamiltonian metod, beräknas bandstrukturen av ett flertal III-V halvledare med olika töjningsvilkor. Fotoluminescens spektrat av kvantprickar integrerade ned SAW härleds, och det påvisar en spektral breddning på enstaka meV, konsistent med de senaste rapporterade experimentalla resultaten. Slutligen integrerar vi InAsP kvantprickar inbäddade i avsmalnande InP nanotrådar med våra IDTs för att mäta moduleringen av deras fotoluminescens.
Databáze: Networked Digital Library of Theses & Dissertations
Externí odkaz: