EP1955422A2 - Einzelphotonenquelle und verfahren zu deren herstellung und betrieb - Google Patents

Einzelphotonenquelle und verfahren zu deren herstellung und betrieb

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EP1955422A2
EP1955422A2 EP06818092A EP06818092A EP1955422A2 EP 1955422 A2 EP1955422 A2 EP 1955422A2 EP 06818092 A EP06818092 A EP 06818092A EP 06818092 A EP06818092 A EP 06818092A EP 1955422 A2 EP1955422 A2 EP 1955422A2
Authority
EP
European Patent Office
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photon source
cavity
quantum dot
single photon
quantum dots
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06818092A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Anatol Lochmann
Robert Seguin
Dieter Bimberg
Sven Rodt
Vladimir Gaysler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Berlin
Original Assignee
Technische Universitaet Berlin
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Berlin filed Critical Technische Universitaet Berlin
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
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    • H01S5/341—Structures having reduced dimensionality, e.g. quantum wires
    • H01S5/3412—Structures having reduced dimensionality, e.g. quantum wires quantum box or quantum dash

Definitions

  • the invention relates to single photon sources and to methods for their production and operation.
  • the term single photon source is understood to mean photon sources which can emit individual photons, in particular with a defined or predefined polarization, entangled photons and cascades of correlated photons.
  • Single-photon sources include the core element of quantum cryptography. This is far superior to conventional encryption technologies. When exchanging sensitive data, such as at online stores, it offers a total privacy based on the laws of quantum mechanics.
  • the data is encrypted using a conventional method.
  • the key with which these can be decoded again is then separated and transmitted, for example, in time before the actual data.
  • unauthorized eavesdropping is noticed. Only if the key has been proven not to be intercepted, the encrypted data packet is transmitted in a conventional manner.
  • even larger amounts of data such as images or films, which are classified as worthy of protection, can be transmitted tap-proof in the usual speed, since the single-photon source is used only for the transmission of the key.
  • An ideal single photon gun is a device that emits a single photon ("on demand”) after a trigger signal, and only then.
  • the central element of a single-photon source is optimally a quantized system with discrete energy levels.
  • Quantum dots offer decisive advantages.
  • Counter ⁇ set to the isolated atom can be the discrete energy levels of a quantum dot non-resonant also stimulate.
  • Embedded in a suitable semiconductor structure can thus realize an electrically operated structure. This is particularly important in terms of marketing potential as system integration is greatly simplified. For an optically excited structure, on the contrary, additional components would be required which would complicate the manufacture and later maintenance of the system and increase the cost.
  • a third previously known concept is based on heavily attenuated lasers. To make two-photon pulses unlikely, the laser pulses are attenuated to an intensity less than 0.1 photons per cycle. This limits the maximum data transfer rate, as> 90% of the clocks are "empty.” In addition, the error rate is increased, as amplifiers can generate and measure photons, even if the clock was actually "empty". This limitation of gain limits the range of transmission. Furthermore, two-photon pulses can not be completely ruled out.
  • the present invention seeks to provide a method for producing a single photon source, which can be carried out easily and reproducibly.
  • a method for producing a single-photon source in which a predetermined operating behavior is determined by specific adjustment of the fine-structure splitting of the excitonic energy level of at least one quantum dot by producing the at least one quantum dot with a structure size (quantum dot size) corresponding to the fine-structure splitting to be set ,
  • the inventive method allows the reproducible production of quantum dots with desired electronic states and thus the reproducible production of single photon sources with predetermined properties.
  • the fine-structure splitting of the excitonic energy level of quantum dots depends on material stresses.
  • the invention is based on the invention, by the choice of the structure size of the quantum or quantum points, ie by the choice of the quantum dot size, the degree of strain within the quantum dots and the degree of strain within the surrounding material structure (eg semiconductor structure). This also defines the fine structure splitting and possibly the energetic position of the excitonic energy level from which the photons are emitted.
  • compact single photon sources can be produced which can emit defined linearly polarized single photons, entangled photon pairs or cascades of correlated photons.
  • the material of the quantum dots and the material of the photon-carrying regions of the photon source are chosen so that the wavelength of the photons corresponds to the dispersion or absorption minimum of already laid telecom fibers (1.3 ⁇ m or 1.55) ,
  • This can be achieved, for example, with In (Ga) As based quantum dots in Ga (In, Al) As or In (Ga) P in Ga (In) P.
  • the described method is preferably carried out using established semiconductor technology methods.
  • the at least one quantum dot is preferably formed with 800 to 5000 atoms of the quantum dot material.
  • Such a small number of atoms or such a small quantum dot size leads to such a strain within the quantum dot and within the surrounding material structure that the fine structure splitting of the excitonic energy level becomes very small or - ideally this would be - zero; in the case of a very small or not existing fine structure splitting have the "bright" by the two; states of the exciton energy level emit photons ⁇ oriented identical frequencies and are entangled with each other.
  • a fine-structure splitting between-100 ⁇ eV and + 100 ⁇ eV is set by the choice of the quantum dot size.
  • the ground state energy of the at least one quantum dot is preferably between 1.27 eV and 1.33 eV.
  • the at least one quantum dot is preferably at 40,000 to
  • +300 ⁇ eV is set by the structure size of the at least one quantum dot accordingly - as mentioned - large.
  • the ground state energy of the at least one quantum dot is preferably less than 1.1 eV for a single photon source that generates individual photons of defined polarization.
  • a method for producing a single photon source in which a cavity having one or more longitudinal resonance frequencies is produced, wherein several quantum dots are arranged within the cavity, which generate photons, each with its own emission frequency, during operation of the single photon source in which a charge carrier injection device is manufactured and arranged such that it can inject charge carriers into the region of the cavity during operation of the single photon source, and the quantum dots can excite the generation of the photons, and the density of the quantum dots is so low and the scattering is so large in size and material composition of the quantum dots, that during operation of the single photon source exclusively the emission frequency of a single quantum dot of one of the longitudinal resonance frequencies of Kavitä t and can be coupled out of the cavity.
  • single-photon sources can be produced in a very simple manner, which can be operated electrically and which additionally follow the concept of the resonant coupling of the excitonic states of the quantum dots with the modes of the cavity due to the presence of a cavity.
  • the cavity provides a preferred direction for the emission of the photons, and in addition the spontaneous emission rate is increased by the utilization of the Purcell effect many times.
  • the cavity is dimensioned such that the longitudinal natural frequency of the cavity used for coupling out the photons is the emission frequency of that quantum. corresponds to the lowest emission frequency of all excited quantum dots. This prevents that a generated photon reabsor ⁇ can again be biert undesirable.
  • the areal density of the quantum dots is preferably chosen to be less than 5 * 10 9 per square centimeter A particularly preferred range is between 1 * 10 8 and 5 * 10 9 cm -2 .
  • the scattering in terms of size and material composition of the quantum dots is preferably selected to be so large that the emission frequencies of the quantum dots at the operating temperature of the photon source are mutually overlap-free.
  • a current path limiting device which bundles the current flow and thus the flow of the injected charge carriers in the region of the cavity in such a way that only a subgroup of the quantum dots produced is excited within the cavity.
  • a current path limiting device which could also be referred to as a "quantum dot selection device" makes it possible to actually actively operate only a single one even with a very large number of "excitable" quantum dots.
  • a temperature adjusting device is produced with which the temperature of the single photon source for its operation can be lowered to a temperature value at which the emission spectra of the quantum dots located within the cavity are free of overlap.
  • a temperature reduction namely, the spectral width of the emission spectra of the quantum dots is reduced, so that very closely adjacent emission spectra that overlap at room temperature can be separated.
  • a method for making a single-photon source in which a cavity having one or more longitudinal resonant frequencies is fabricated, with at least one quantum dot layer disposed within the cavity, wherein a stimulator is fabricated and arranged to be exposed during the time period Operation of the single-photon source excites at least one quantum dot to generate the photons, and in which at the longitudinal to the emission direction of the photons extending side walls of the cavity, a highly reflective layer is applied.
  • the diameter of the cavity should be as small as possible to achieve maximum Purcell factors.
  • a highly reflective layer is proposed here, which rests on the side walls of the cavity.
  • the side wall roughness of this metal layer is of particular importance, since the associated light scattering significantly limits the realizable Purcell factors.
  • the highly reflective layer may be formed, for example, by a metal layer, e.g. B. gold layer can be realized.
  • the field distribution is further optimized via A10 x apertures within the cavity in order to reduce the optical losses in the sidewall region of the cavity.
  • a single photon source for emitting single linearly polarized photons or entangled photon pairs, in particular for use in quantum cryptography, viewed with one or more
  • Quantum dots that generate photons each having an emission frequency during operation of the single photon source, with a cavity within which the quantum dots are arranged, wherein the cavity has one or more longitudinal resonance frequencies, and with a carrier injection device, which during operation of the single photon source in The charge carriers are injected into the region of the cavity and the quantum dots are excited to generate the photons.
  • a carrier injection device which during operation of the single photon source in The charge carriers are injected into the region of the cavity and the quantum dots are excited to generate the photons.
  • only photons of a single quantum dot are extracted, namely the photons of the quantum dot whose emission frequency corresponds to one of the longitudinal resonance frequencies of the cavity.
  • the cavity is dimensioned such that the longitudinal natural frequency of the cavity of the emission frequency used for coupling out the photons of the Quan ⁇ ten Vietnamese pieces corresponds to having all of the excited quantum dots the lowest emission frequency.
  • the single-photon source preferably has a current path limiting device which concentrates the flow of the injected charge carriers in the region of the cavity and reduces the number of actually excited quantum dots.
  • the single-photon source has a plurality of quantum dots, which are arranged in a predetermined density and have a predetermined dispersion of their properties.
  • the excited subgroup of quantum dots is so small and the predetermined scattering of the properties of the quantum dots that at the operating temperature of the single photon source, the emission spectra of the quantum dots of the subgroup - at least some of them, but preferably all - are overlap-free.
  • the density of quantum dots is less than 5 * 10 9 per square centimeter.
  • a particularly preferred range is between 1 ⁇ 10 8 and 5 ⁇ 10 9 cm -2 .
  • a temperature adjusting device which lowers the temperature of the single-photon source for its operation to a predetermined operating temperature at which the emission spectra - at least some of them, but preferably all - are within the cavity Quantum dots are non-overlapping.
  • a single photon ⁇ is source to emit single linearly polarized photons or photon pairs - in particular for use in quantum cryptography - viewed, with at least one quantum dot, which generates during operation of the single-photon source photons having an emission frequency, with a cavity within of which the at least one quantum dot is arranged and which has a filter characteristic such that only a resonant coupling takes place between a single one of the quantum dots and the cavity, and with an excitation device which, during operation of the single photon source, generates the at least one quantum dot for generating the photons excites, wherein at the longitudinal to the emission direction of the photons extending side walls of the cavity, a highly reflective layer, in particular a metal layer is applied.
  • the diameter of the cavity can be reduced and the Purcell factor can be increased by the highly reflective layer without significantly increasing the optical losses of the cavity.
  • Temperature of the single photon source is adjusted such that the emission frequency of that quantum dot, which has the smallest emission frequency of all the excited quantum dots, coincides with a longitudinal natural frequency of a cavity of the single photon source.
  • a method for driving a single-photon source in which the emission spectrum of an exciting device used for the optical excitation is set so that the emission spectrum is energetically above the states of the "active" Furthermore, lies in a region in which the cavity of the single photon source is transparent.
  • FIG. 1 schematically shows the generation of photons by a quantum dot on the basis of a schematic energy diagram for an exciton X and a bend XX;
  • FIG. 2 shows the measured fine structure splitting of the bright exciton in the ground state as a function of the exciton energy and the quantum dot size
  • FIGS. 3A, 3B show the emission of defined polarized photons with high emission rate and the emission of polarization entangled photon pairs
  • FIG. 4 shows a first exemplary embodiment of a single photon source according to the invention
  • FIG. 5 shows the current flow within the single-photon source according to FIG. 4;
  • FIG. 6 shows the reflection spectrum of a lower Bragg mirror package and an upper Bragg mirror package of the single-photon source according to FIG. 4;
  • FIG. 7 shows the reflection spectrum of a cavity of the single-photon source according to FIG. 4 in detail
  • 8 shows luminescence properties of two quantum dots of the single-photon source in accordance with Fi gur ⁇ 4 at different temperatures
  • FIG. 9 shows luminescence properties of an ensemble of quantum dots in the single-photon source according to FIG. 4 at different temperatures
  • FIGS. 10a) -c) the decoupling of the photons of the quantum dot with the lowest emission frequency by means of a targeted temperature control
  • FIG. 11 shows a further exemplary embodiment of a single photon source according to the invention.
  • FIG. 12 shows the luminescence spectrum of a quantum dot and the electroluminescence of an excitation LED of the single-photon source according to FIG. 11 at low temperatures.
  • FIG. 1 shows a schematic energy diagram for an exciton X and a bending XX in a quantum dot.
  • the two mutually perpendicular polarization directions ( ⁇ +, ⁇ -) of the emitted photons are shown.
  • FIG. 2 shows the measured fine-structure splitting of the bright exciton in the ground state using the example of InAs / GaAs as a function of the exciton energy and the quantum dot size.
  • the fine-structure splitting is more energetic Distance of the two exciton emission lines shown. It can be seen that the size of overgrown, epitaxial quantum dots is directly correlated with their strain and that in turn the strain determines the fine structure splitting;
  • FIG. 2 shows by way of example a small InAs quantum dot consisting of 2400 atoms of the quantum dot material with the reference numeral 10 and a large InAs quantum dot consisting of 40,000 atoms of the quantum dot material with the reference numeral 15. Due to these relationships, it is possible to adjust the size of fine-structure splitting by producing quantum dots 10 and 15 of the corresponding size, respectively.
  • the quantum dots shown only schematically in FIG. 2 preferably have the shape of a pyramid with a square base cut off at the top.
  • Single photon emitters based on quantum dots offer the significant advantage over existing solutions - such as.
  • the low-power laser described earlier in this example can produce on-demand ⁇ photons , which means that each pulse generates exactly one photon at 100% quantum efficiency, and a single-photon source to be used for quantum cryptography has to be used.
  • On demand "either photons of a defined polarization state or pairs of polarization entangled photons can emit.
  • the fine structure splitting must be as large as possible in order to be able to select a single excitonic state with energetic filters (eg a matched cavity).
  • the fine-structure splitting For the generation of polarization-entangled photon pairs, the fine-structure splitting must at least approximately disappear. In this case, photons from the Biexziton ⁇ Excess ⁇ 0 decay cascade are used (see also FIG. 1). On the other hand, too great an energetic distance between the two existing excitonic states prevents the entanglement of the emitted photon pair.
  • the decisive factor for producing corresponding single-photon sources based on quantum dots is thus the fine-structure splitting. It determines the energy splitting of the excitonic ground state in two competent ⁇ de polarized perpendicular to each other. Fine-structure splitting was first observed at epitaxial quantum dots in the 1990s.
  • the method presented here allows the control of the fine structure splitting directly by adjusting the quantum dot size during the production of the quantum dots.
  • the fine structure splitting depends on the spatial symmetry of the electronic potential of a quantum dot. Tensions in the quantum dot structures lead to piezoelectric fields that influence the potential symmetry and thus the fine-structure splitting. The following applies: the greater the strain, the greater the fine structure splitting. Since the strain is dependent on the size of the quantum dots, the size of the fine structure splitting can be selected directly by choosing a specific quantum dot size.
  • FIGS. 3A and 3B show a schematic representation of two examples for this purpose.
  • One of the entangled photons of the Biexiton ⁇ exciton ⁇ 0 decay cascade can be sent to a respective receiver 1 or 2 by a respective E-mitter (see FIG. 3B).
  • measuring the polarization of one photon directly determines the measurement result of the polarization of the other photon.
  • FIG. 4 shows a first exemplary embodiment of a single-photon source 100 according to the invention in detail.
  • a substrate 105 of, for example, GaAs material, on which a lower Bragg mirror package 110 (preferably of oxide material) with mirror layer pairs 115 of different refractive index is applied.
  • a lower Bragg mirror package 110 preferably of oxide material
  • mirror layer pairs 115 of different refractive index
  • a lower Bragg mirror package 110 preferably of oxide material
  • electrical contact layer 120 of a charge carrier injection device formed by a pin diode structure 130.
  • an active layer 150 with a multiplicity of quantum dots 160 (eg of In (Ga) As) in a monolayer and an n-doped intermediate layer 165.
  • the quantum dots 160 have a predetermined density and thus a predetermined mean distance to each other.
  • an upper Bragg mirror stack 170 Above the upper electrical contact layer 140 of the pin diode structure 130 is an upper Bragg mirror stack 170, through which photons 180 can emerge upwards out of the single-photon source 100.
  • the upper mirror package 170 is preferably made of oxide material.
  • Reference numerals 190 and 195 denote electrical connection ⁇ contacts of the single-photon source 100; Particularly preferably, contacts 190 and 195 are intracavity contacts. Intracavity contacts are those which are arranged between the two mirror packages 110 and 170.
  • a strain matching layer for regulating the material stress in the region of the quantum dots with respect to the desired fine structure splitting as well as with regard to the adjustment of the emission wavelength.
  • a non-conductive layer 200 with an opening 210 can be seen; the nonconductive layer 200 forms a current aperture 220 through which the current I of the pin diode structure 130 flows.
  • the current flow I is shown in more detail in FIG.
  • the upper part of the single-photon source 100 according to FIG. 4 can be seen in FIG. 5, bottom right.
  • the flow of current is visualized in a three-dimensional view.
  • the current aperture 220 forms a current path limiting device of the single photon source 100, which limits the current in such a way that only a subgroup 160 'of the quantum dots 160 is excited; the remaining quantum dots 160 "are not excited because no sufficient current flows in their region.
  • the current path I of the current I is also limited in the embodiment according to FIG. 5 by a suitable doping profile in the n-doped intermediate layer 165 and the p-doped contact layer 140.
  • the doping increases in each case to the contacts in both layers and accordingly falls in the direction of the active layer 150 and in
  • FIG. 6 shows the reflection spectrum of the lower Bragg mirror package 110 and the upper Bragg mirror package 170.
  • Each mirror package is basically designed for a lenin Wel ⁇ ⁇ . It consists of pairs of layers of a material with a high refractive index and a material with a low refractive index, the optical thickness of which is ⁇ / 4.
  • the higher the refractive index contrast (compare curve 250 for a high refractive index contrast and curve 255 for a small refractive index contrast), the wider the stopband ⁇ , the smaller the penetration depth of the wave into the mirrors and the fewer mirror pairs needed for high reflectivity ,
  • a microcavity 260 is formed by the lower Bragg mirror package 110 and the upper Bragg mirror package 170 (see Fig. 4).
  • the term microcavity is to be understood as meaning cavities having a size in the micrometer range.
  • FIG. 7 shows the reflection spectrum of the cavity 260 in detail.
  • the higher the quality of the cavity the smaller the spectral width ⁇ c of so-called cavity dips 265 of the cavity 260.
  • Cavity dips are the longitudinal modes of the cavity.
  • the quality of the cavity is defined by the spectral width ⁇ c of the cavity dips 265.
  • the higher the quality the narrower the cavity dip.
  • the free spectral range ⁇ f between the cavity dips is dependent on the length L of the cavity. The larger this is, the closer the cavity dips 265 are together.
  • the modes of the cavity form a stationary spatial field distribution.
  • quantum dots have discrete energy states and therefore a discrete luminescence spectrum. The states and thus the luminescence shafts of a quantum dot depend sensitively on three parameters: material composition, size and shape of the quantum dots as well as the temperature. Since the temperature is the only variable parameter after completion of the device, it is of particular importance. Therefore, it should be discussed at this point even closer to him. If the temperature is increased, there is a line broadening and red shift of the luminescence. This is shown in FIG. 8.
  • FIG. 8 shows the luminescence of two individual quantum dots: Curves 270 and 270 'indicate the luminescence
  • the distance between the maxima remains constant.
  • FIG. 9 shows a luminescence spectrum of an ensemble in terms of size and material composition of similar quantum dots, once at room temperature (curve 280) and at low temperatures (curve 285).
  • the intensity distribution of the emission spectrum reflects the distribution function of the quantum points again. It is easy to see that the number of excited quantum dots decreases the more the size and composition of quantum dots move away from their mean.
  • a resonant excitation of individual quantum dots can only be achieved if the emission peaks of the quantum dots do not overlap. This can be achieved by a sufficient energetic distance between the quantum dots, or by lowering the operating temperature, thereby separating the emission lines.
  • the single-photon source 100 shown in FIG. 4 can theoretically be divided into two basic elements:
  • the first basic element is formed by the p-i-n diode structure 130, within which the monolayer quantum dots 160 is located.
  • the second primitive is formed by a single quantum dot resonantly coupled to the microcavity 260.
  • the selection effect of the cavity dip 265 is used.
  • the single photon source 100 is operated in a temperature range in which the luminescence spectrum consists of individual, non-overlapping emission lines.
  • the number of excited quantum dots 160 '- based on the total number of quantum dots 160 - has already been considerably limited by the current path limiting device.
  • By changing the temperature it can now be achieved, given a sufficiently small cavity-dip width ⁇ c, that only a single quantum dot is resonantly coupled to the cavity 260.
  • the situation illustrated in FIG. 10 a) corresponds in principle to the conditions in a VCSEL structure (Vertical Cavity Surface Emitting Laser).
  • FIG. 4 is thus capable of resonantly coupling a single, electrically excited quantum dot 160 'to the microcavity 260.
  • the active layer consists of only one monolayer of quantum dots.
  • the aim of the growth of this monolayer is to achieve the lowest possible density and a high fluctuation in terms of size and material composition of the quantum dots 160. This is ensured by proper guidance of crystal growth.
  • the VCSEL structure is also designed so that the "cavity dip" at operating temperature is at the maximum of the luminescence distribution.
  • Reabsorption by non excited quantum dots has a negative effect on 'the two devices.
  • the approach to avoid this is to stimulate as electrically as possible all the quantum dots in the cavity.
  • the current flow through the aperture is made as homogeneous as possible, so that quantum dots that are not in the middle of the aperture are also pumped.
  • the latter is undesirable in the case of the single-photon source 100 according to FIG. 4, since as few as possible, ide- ally only a single quantum dot should be electrically excited.
  • Einzelpho ⁇ is ion source 100 is preferably designed to be the ca- vity dip 265 is at operating temperature on the low energy side of the luminescence. If the cavity resonates with a quantum dot whose recombination energy is smaller than that of all other quantum dots, the photons emitted by it can no longer be reabsorbed within the structure, because their energy is too small for absorption by the remaining quantum dots.
  • the cavity length L is chosen as small as possible, ideally the cavity length is ⁇ / 2, which is possible by choosing a small mean refractive index (smaller than the refractive index of the adjacent upper and lower mirror layer).
  • the described single-photon source 100 fulfills all of the requirements listed above for a component that can be used for quantum cryptography.
  • the possibility of directly processing electrical signals should be mentioned.
  • System integration is thereby considerably simplified.
  • the resonant coupling of the quantum dot states with the modes of a microcavity ensures by using the Purcell bines a sufficient spontaneous emission rate. Together with the cavity also provided by the cavity nen emission preferred direction, the efficiency is thus to Be ⁇ dürfnissen a realistic component adjusted.
  • the optical losses that occur when coupling into glass fibers, are minimal. The reason for this lies in the identical to the VCSEL radiation characteristic, which is characterized by small opening angle and round beam profiles.
  • the device is to use microns in principle able to inte for telecommunications ⁇ relichen wavelengths of 1.3 microns and 1.55.
  • the structural similarity to the VCSEL provides Asked before ⁇ single photon source 100 beyond the pre ⁇ in part, is that their production methods with established Me ⁇ and can be realized process.
  • the quantum dots 160 in the case of In (Ga) As are preferably formed with 800 to 5000 atoms of the quantum dot material. With such a size of the quantum dots, the fine structure splitting is generally sufficiently small to be able to generate entangled photon pairs; Preferably, the fine-structure splitting is within an interval between -100 ⁇ eV and + 100 ⁇ eV, more preferably between -50 ⁇ eV and + 50 ⁇ eV.
  • the ground state energy of the quantum dots is, for example, between 1.27 eV and 1.33 eV.
  • the quantum dots 160 are preferably formed with 40,000 to 125,000 atoms of the quantum dot material.
  • the fine-structure splitting is generally sufficiently large to be able to "filter away" the unwanted photons generated, preferably a fine-structure splitting of at least +400 ⁇ eV, more preferably of at least +500 ⁇ eV or more is set
  • the ground state energy of the quantum dots is less than 1.1 eV.
  • FIG. 11 shows a further exemplary embodiment of a single-photon source 100.
  • DBR Distributed Bragg Reflector
  • the cavity 515 utilizes the Purcell effect, which describes the influence of the resonant coupling of the energetic states of the quantum dot 520 with the modes of the cavity 515 on the spontaneous emission rate.
  • the parameter that quantifies this effect is the Purcell factor F. This depends on the quality and the fashion volume of the
  • Cavity and describes the ratio of the lifetimes of a quantum mechanical state outside and within a cavity according to:
  • the quality factor Q is dependent on the inner and outer optical losses of the cavity 515. Internal losses occur due to light absorption, external losses due to partial decoupling by the resonator mirrors due to their finite reflectivity and various scattering mechanisms. As the column diameter d of the cavity 515 decreases, the outer optical losses of the cavity increase. This is due to a decrease in mirror reflectivities due to increasingly curved wavefronts, a decreasing horizontal waveguide, and the increasing light scattering caused by roughnesses on the column jacket 540 of the cavity. Since the quality of the cavity is directly incorporated in the Purcell factor, it can easily be seen that an increase in the Purcell factor is limited only by the reduction in the cavity diameter d. The requirement for small column diameters d, however, entails the problem that the optical losses increase greatly with decreasing diameter, so that there is a dramatic deterioration of the quality factor Q of the cavity.
  • the column jacket 540 of the single-photon source 100 shown in FIG. 11 is provided with a highly reflective coating 550.
  • the highly reflective coating 550 may be formed by a gold layer, for example.
  • the field distribution can be moreover, within the cavity 515 even further in the Hin ⁇ view of minimal losses and minimal mode volume optimized by the optical field distribution as far as possible from the column edge 540 of the cavity is kept away.
  • the effective refractive index within the cavity is reduced by the AlO x layers and is smaller than the refractive index of the top and bottom adjacent mirror layers, consisting for example of GaAs. This first enables a minimum cavity length of ⁇ / 2.
  • the emission spectrum of the LED 510 used for the optical excitation is preferably chosen such that the excitation is energetically above the states of the quantum dot 520; the cavity 515 is preferably transparent in this wavelength range.
  • the curve 600 of FIG. 12 shows the luminescence spectrum of the quantum dot 520 at low temperatures; Curve 610 shows the electroluminescence of the excitation LED. Reference numerals 265, 265 'and 265' 'indicate the longitudinal modes of the cavity 515.
  • the single-photon source 100 shown in FIG. 11 likewise fulfills all of the requirements set out at the outset for a component which can be used for quantum cryptography.
  • the single photon source 100 is capable of directly processing electrical signals.
  • the spontaneous emission rate is sufficiently high and can be further increased because of the effective suppression of optical losses due to the mirroring of the cavity shell 540.
  • the cavity 515 also has a positive effect the radiation characteristic. This results in a round beam profile, so that any optical losses are reduced when coupled into fibers.
  • the filter characteristic of the cavity ensures that only photons within a very narrow frequency band, ie photons of a single quantum dot, are coupled out of the cavity ,
  • quantum dots with emission wavelengths of 1.3 ⁇ m or 1.55 ⁇ m can be realized.
  • the quantum dot 520 is preferably formed with 800 to 5000 atoms of the quantum dot material.
  • a fine-structure splitting between -100 ⁇ eV and + 100 ⁇ eV or better between only -50 ⁇ eV and + 50 ⁇ eV - ideally would be exactly zero - is preferably set.
  • the ground state energy of the quantum dot 520 is, for example, between 1.27 eV and 1.33 eV.
  • the height h of the quantum dot in this case is preferably between 0.3 nm and 0.9 nm.
  • the quantum dot 520 is preferably formed with 40,000 to 125,000 atoms of the quantum dot material.
  • the fine-structure splitting usually becomes sufficiently large to be able to "filter away" the unwanted co-produced photons, preferably a fine-structure splitting of at least +400 ⁇ eV, more preferably of at least +500 ⁇ eV or more is set
  • Ground state energy of the quantum dot 520 is, for example less than 1.1 eV.
  • the height h of the quantum dot is greater than 2 nm, preferably in the case ⁇ sem.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich unter anderem auf ein Verfahren zum Herstellen einer Einzelphotonenquelle (100) mit einem vorgegebenen Betriebsverhalten. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das vorgegebene Betriebsverhalten der Einzelphotonenquelle (100) durch ein gezieltes Einstellen der Feinstrukturaufspaltung (FSS) des exzitonischen Energieniveaus mindestens eines Quantenpunkts (160', 520) festgelegt wird, indem der mindestens eine Quantenpunkt mit einer der einzustellenden Feinstrukturaufspaltung entsprechenden Quantenpunktgröße hergestellt wird.

Description

Beschreibung
Einzelphotonenquelle und Verfahren zu deren Herstellung und Betrieb
Die Erfindung bezieht sich auf Einzelphotonenquellen und Verfahren zu deren Herstellung und Betrieb. Unter dem Begriff Einzelphotonenquelle werden nachfolgend Photonenquellen verstanden, die einzelne Photonen, insbesondere mit einer defi- nierten bzw. vorgegebenen Polarisation, verschränkte Photonen und Kaskaden von korrelierten Photonen emittieren können.
Einzelphotonenquellen sind unter anderem das Kernelement der Quantenkryptographie. Diese ist herkömmlichen Verschlüsse- lungstechnologien weit überlegen. Beim Austausch sensibler Daten, wie z.B. bei online-Geschäften, bietet sie einen auf den Gesetzen der Quantenmechanik beruhenden, absoluten Abhörschutz. Zunächst werden die Daten mit einem herkömmlichen Verfahren verschlüsselt. Der Schlüssel, mit dem diese wieder dekodiert werden können, wird dann getrennt und beispielsweise zeitlich vor den eigentlichen Daten übermittelt. Geschieht dies mit einer Einzelphotonenquelle unter Verwendung quan- tenkryptographischer Schemata, so wird ein nicht autorisiertes Abhören bemerkt. Nur wenn der Schlüssel nachweislich nicht abgehört wurde, wird das verschlüsselte Datenpaket auf herkömmliche Weise übermittelt. Somit können auch größere Datenmengen wie Bilder oder Filme, die als schützenswert eingestuft werden, abhörsicher in gewohnter Geschwindigkeit übertragen werden, da die Einzelphotonenquelle nur für die Über- mittlung des Schlüssels verwendet wird.
Eine ideale Einzelphotonenquelle („photon gun") ist ein Bauelement, welches nach einem Triggersignal, und nur dann, ein einzelnes Photon emittiert („on demand"). Zentrales Element einer Einzelphotonenquelle ist optimaler Weise ein quanti- siertes System mit diskreten Energieniveaus. Hierfür kommen z.B. isolierte Atome, Moleküle oder Quantenpunkte in Frage. Quantenpunkte bieten dabei entscheidende Vorteile. Im Gegen¬ satz zum isolierten Atom lassen sich die diskreten Energieniveaus eines Quantenpunkts auch nicht-resonant anregen. Eingebettet in eine geeignete Halbleiterstruktur lässt sich somit eine elektrisch betriebene Struktur realisieren. Dies ist im Hinblick auf das Vermarktungspotential besonders wichtig, da die Systemintegration erheblich vereinfacht wird. Für eine optisch angeregte Struktur würden im Gegensatz dazu zusätzliche Komponenten benötigt werden, welche die Herstellung und die spätere Wartung des Systems erschweren sowie die Kosten erhöhen würden.
Für die Realisierung einer Einzelphotonenquelle findet sich in der Literatur eine Reihe von Ansätzen. Im Folgenden sollen aus der Vielzahl veröffentlichter Realisierungsmöglichkeiten drei Konzepte kurz erläutert werden, die „zumindest im Prinzip" für eine Anwendung in der Quantenkryptographie in Frage kommen .
Eines der vorbekannten Konzepte verfolgt die Idee einer
Leuchtdiode, deren Elektrolumineszenz auf der Emission eines einzelnen Quantenpunkts beruht (vgl. folgende Druckschriften: Xu, D. A. Williams, J. R. A. Cleaver, Appl . Phys . Lett., Vol. 85, No. 15 (11 October 2004); A. J. Shields, R. M. Stevenson, R. M. Thompson, M. B. Ward, Z. Yuan, B. E. Kardynal, P. See, I, Farrer, C. Lobo, K. Cooper, D. A. Ritchie, phys. Stat . SoI. (b) 238, No. 2, 353-359 (2003); J. Seufert, M. Rambach, G. Bacher, A. Forchel, T. Passow, D. Hommel, Appl. Phys. Lett., Vol. 82, No. 22 (2. Juni 2003); A. Fiore, J. X. Chen, M. Ilegems, Appl. Phys. Lett., Vol. 81, No. 10 (02. September 2002) und A. J. Bennet, D. C. Unnitt, P. See, A. J. Shields, P. Atkinson, K. Cooper, D. A. Ritchie, Appl. Phys. Lett., Vol. 86, No. 4 (25. April 2005). Trotz der elektrischen Anregung, die für eine kommerzielle Anwendung zu bevorzugen ist, ist dieser Ansatz aufgrund seiner bescheidenen Effizienz nicht sehr attraktiv. Dies hat im Wesentlichen zwei Ursachen: Zum einen führt die fehlende Vorzugsrichtung für die Photo- nen-Emission, welche wenig gerichtet erfolgt, zu geringer Effizienz; zum anderen ist die spontane Emissionsrate von Quan¬ tenpunkten aufgrund der vergleichsweise langen strahlenden Lebensdauer der Zustände (~lns) sehr gering. Außerdem ist die Emission nicht polarisiert.
Ein anderes vorbekanntes Konzept basiert auf einer resonanten Kopplung der energetischen Zustände eines Quantenpunkts mit den Moden einer Mikrokavität (vgl. folgende Druckschriften: J. Vuckovic, D. Fattal, C. Santori, G. S. Solomon, Y. Yamamo- to, Appl. Phys. Lett . , Vol. 82, No. 21 (26. May 2002); J. M. Gerad, D. Barrier, J. Y. Marzin, R. Kuszelewicz, L. Manin, E. Costard, V. Thierry-Mig, T. Rivera , Appl. Phys. Lett., Vol. 69, No. 4 ( 22. JuIy 1996); J. M. Gerad, D. Barrier, J. Y. Marzin, R. Kuszelewicz, L. Manin, E. Costard, V. Thierry-Mig, T. Rivera , Appl. Phys. Lett., Vol. 69, No. 4 (22. JuIy 1996) und E. Moreau, I. Robert, J. M. Gerad, I. Abram, L. Manin, V. Thierry-Mieg, Appl. Phys. Lett., Vol. 69, No. 4 (22. JuIy 1996) . Dieses vorbekannte Konzept nutzt den Purcell-Effekt , welcher den Einfluss einer solchen Kopplung auf die spontane Emissionsrate beschreibt. Insgesamt ist wegen hoher optischer Verluste in der Mikrokavität auch dieses zweitgenannte Konzept für eine Einzelphotonenquelle noch sehr verbesserungsbedürftig.
Ein drittes vorbekanntes Konzept basiert auf stark abgeschwächten Lasern. Um Zwei-Photonen-Pulse unwahrscheinlich zu machen, werden die Laser-Pulse auf eine Intensität von kleiner als 0,1 Photon pro Takt abgedämpft. Das beschränkt die maximale Datenübertragungsrate, da > 90% der Takte „leer" sind. Außerdem wird die Fehlerrate erhöht, da durch Verstärkerrauschen Photonen generiert und gemessen werden können, auch wenn der Takt eigentlich „leer" war. Diese Beschränkung der Verstärkung limitiert die Reichweite der Übertragung. Des Weiteren können Zwei-Photonen- Pulse nicht gänzlich ausgeschlossen werden. Solche Pulse bedeuten jedoch eine Lücke in der Sicherheit, da nun ein Mithörer mittels eines Strahltei- lers ein Photon messen und das zweite Photon weiter an den Empfänger schicken kann (engl, photon number Splitting - PNS) und so ein Abhörschutz nicht mehr gegeben ist. Problematisch ist auch die Polarisation der emittierten Photonen: Ist näm- lieh der Polarisationszustand völlig unkontrolliert, muss ein Polarisationsfilter hinter die Einzelphotonenquelle geschaltet werden. Dadurch wird die Anzahl der Photonen und somit die Datenübertragungsrate weiter reduziert.
Ausgehend von dem aufgeführten vorbekannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Einzelphotonenquelle anzugeben, das sich einfach und reproduzierbar durchführen lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Unteransprüchen angegeben.
Danach ist erfindungsgemäß ein Verfahren zum Herstellen einer Einzelphotonenquelle vorgesehen, bei dem ein vorgegebenes Betriebsverhalten durch ein gezieltes Einstellen der Feinstrukturaufspaltung des exzitonischen Energieniveaus mindestens eines Quantenpunkts festgelegt wird, indem der mindestens ei- ne Quantenpunkt mit einer der einzustellenden Feinstrukturaufspaltung entsprechenden Strukturgröße (Quantenpunktgröße) hergestellt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die reproduzierbare Herstellung von Quantenpunkten mit gewollten elektronischen Zuständen und damit die reproduzierbare Herstellung von Einzelphotonenquellen mit vorgegebenen Eigenschaften. Erfinder- seitig wurde nämlich festgestellt, dass die Feinstrukturaufspaltung des exzitonischen Energieniveaus von Quantenpunkten von Materialverspannungen abhängig ist. Auf dieser Erkenntnis baut die Erfindung auf, indem erfindungsgemäß vorgeschlagen wird, durch die Wahl der Strukturgröße des oder der Quanten- punkte, also durch die Wahl der Quantenpunktgröße, den Grad der Verspannung innerhalb der Quantenpunkte und den Grad der Verspannung innerhalb der umgebenden Materialstruktur (z. B. Halbleiterstruktur) gezielt festzulegen. Dadurch werden auch die Feinstrukturaufspaltung und ggf. die energetische Lage des exzitonischen Energieniveaus definiert, von dem aus die Photonen emittiert werden. Allein durch die Wahl der Größe bzw. des Volumens der Quantenpunkte - also allein durch die Anzahl der Atome, die den jeweiligen Quantenpunkt bilden - lässt sich somit eine Einzelphotonenquelle mit den gewünschten Eigenschaften herstellen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich kompakte Einzelphotonenquellen herstellen, die definierte linear polarisierte Einzelphotonen, verschränkte Photonenpaaren oder Kaskaden von korrelierten Pho- tonen emittieren können.
Als vorteilhaft wird es angesehen, wenn das Material der Quantenpunkte sowie das Material der photonenführenden Bereiche der Photonenquelle so gewählt werden, dass die Wellenlän- ge der Photonen dem Dispersions- oder Absorptionsminimum bereits verlegter Telekomglasfasern (1,3 μm bzw. 1,55) entspricht. Dies lässt sich beispielsweise mit Quantenpunkten auf der Basis von In(Ga)As in Ga (In, Al) As oder In(Ga)P in Ga(In)P erreichen.
Das beschriebene Verfahren wird vorzugsweise unter Verwendung etablierter halbleitertechnologischer Verfahren durchgeführt.
Zur Herstellung einer Einzelphotonenquelle, die verschränkte Photonenpaare erzeugen kann, wird der mindestens eine Quantenpunkt bevorzugt mit 800 bis 5000 Atomen des Quantenpunktmaterials gebildet. Eine solch kleine Atomanzahl bzw. eine solch kleine Quantenpunktgröße führt zu einer derartigen Verspannung innerhalb des Quantenpunkts und innerhalb der umge- benden Materialstruktur, dass die Feinstrukturaufspaltung des exzitonischen Energieniveaus sehr klein wird oder - dies wäre ideal - Null beträgt; im Falle einer sehr kleinen oder nicht vorhandenen Feinstrukturaufspaltung weisen die von den beiden „bright"-Zuständen des exzitonischen Energieniveaus aus emit¬ tierten Photonen identische Frequenzen auf und sind miteinander verschränkt.
Beispielsweise wird bei der Herstellung einer verschränkte Photonenpaare erzeugenden Einzelphotonenquelle durch die Wahl der Quantenpunktgröße eine Feinstrukturaufspaltung zwischen - 100 μeV und +100 μeV eingestellt. Die Grundzustandsenergie des mindestens einen Quantenpunkts liegt bevorzugt zwischen 1,27 eV und 1,33 eV.
Zur Herstellung einer Einzelphotonenquelle, die einzelne Photonen mit definierter Polarisation erzeugen kann, wird der mindestens eine Quantenpunkt vorzugsweise mit 40000 bis
125000 Atomen des Quantenpunktmaterials gebildet. Eine solch große Atomanzahl bzw. eine solch große Strukturgröße führt zu einer derartig großen Verspannung innerhalb des Quantenpunkts und innerhalb der umgebenden Materialstruktur, dass die Fein- Strukturaufspaltung des exzitonischen Energieniveaus (bright- Exziton im Grundzustand) sehr groß wird; im Falle einer sehr großen Feinstrukturaufspaltung weisen die von den beiden Zuständen des exzitonischen Energieniveaus aus emittierten Photonen sehr unterschiedliche Emissionsfrequenzen auf, so dass das „unerwünschte" der beiden Photonen mit einem Filter ohne großen Aufwand weggefiltert oder unterdrückt werden kann.
Beispielsweise wird bei der Herstellung einer Einzelphotonenquelle, die einzelne Photonen mit definierter Polarisation erzeugen kann, eine Feinstrukturaufspaltung von mindestens
+300 μeV eingestellt, indem die Strukturgröße des mindestens einen Quantenpunkts entsprechend - wie erwähnt - groß gewählt wird. Eine möglichst große Feinstrukturaufspaltung vereinfacht - wie bereits erwähnt - beispielsweise das „Wegfiltern" des unerwünschten Zusatz-Photons . Die Grundzustandsenergie des mindestens einen Quantenpunkts ist bei einer Einzelphotonenquelle, die einzelne Photonen mit definierter Polarisation erzeugt, vorzugsweise kleiner als 1,1 eV.
Als selbständige Erfindung wird außerdem ein Verfahren zur Herstellung einer Einzelphotonenquelle angesehen, bei dem eine Kavität mit einer oder mehreren longitudinalen Resonanzfrequenzen hergestellt wird, wobei innerhalb der Kavität meh- rere Quantenpunkte angeordnet werden, die während des Betriebs der Einzelphotonenquelle Photonen mit jeweils einer eigenen Emissionsfrequenz generieren, bei dem eine Ladungsträgerinjektionseinrichtung derart hergestellt und angeordnet wird, dass diese während des Betriebs der Einzelphotonenquel- Ie Ladungsträger in den Bereich der Kavität injizieren kann und die Quantenpunkte zum Generieren der Photonen anregen kann, und bei dem die Dichte der Quantenpunkte so gering und die Streuung bezüglich Größe und Materialzusammensetzung der Quantenpunkte so groß gewählt wird, dass während des Betriebs der Einzelphotonenquelle ausschließlich die Emissionsfrequenz eines einzigen Quantenpunkts einer der longitudinalen Resonanzfrequenzen der Kavität entsprechen und aus der Kavität ausgekoppelt werden kann.
Mit diesem Verfahren lassen sich in sehr einfacher Weise Einzelphotonenquellen herstellen, die elektrisch betrieben werden können und die zusätzlich aufgrund des Vorhandenseins einer Kavität das Konzept der resonanten Kopplung der exzitoni- schen Zustände der Quantenpunkte mit den Moden der Kavität verfolgen. Durch die Kavität wird eine Vorzugsrichtung für die Emission der Photonen vorgegeben, und außerdem wird die spontane Emissionsrate durch die Ausnutzung des Purcell- Effekts um ein Vielfaches erhöht.
Vorzugsweise wird die Kavität derart dimensioniert, dass die zur Auskopplung der Photonen verwendete longitudinale Eigenfrequenz der Kavität der Emissionsfrequenz desjenigen Quan- tenpunkts entspricht, der von allen angeregten Quantenpunkten die kleinste Emissionsfrequenz aufweist. Dadurch wird verhindert, dass ein generiertes Photon unerwünscht wieder reabsor¬ biert werden kann.
Um zu erreichen, dass nur ein einziger Quantenpunkt „aktiv" Photonen emittiert, wird die Flächendichte der Quantenpunkte bevorzugt kleiner als 5*109 pro Quadratzentimeter gewählt. Ein besonders bevorzugter Bereich liegt zwischen l*108 und 5*109 cm"2.
Die Streuung bezüglich Größe und Materialzusammensetzung der Quantenpunkte wird vorzugsweise so groß gewählt, dass die E- missionsfrequenzen der Quantenpunkte bei der Betriebstempera- tur der Photonenquelle untereinander überlappungsfrei sind.
Im Übrigen wird es als vorteilhaft angesehen, wenn eine Strompfadbegrenzungseinrichtung hergestellt wird, die den Stromfluss und damit den Fluss der injizierten Ladungsträger im Bereich der Kavität derart bündelt, dass nur eine Teilgruppe der hergestellten Quantenpunkte innerhalb der Kavität angeregt wird. Eine solche Strompfadbegrenzungseinrichtung, die man auch als „Auswahleinrichtung für Quantenpunkte" bezeichnen könnte, erleichtert es, auch bei einer sehr großen Anzahl an „anregbaren" Quantenpunkten nur einen einzigen tatsächlich aktiv zu betreiben.
Des weiteren wird es als vorteilhaft angesehen, wenn eine Temperatureinstelleinrichtung hergestellt wird, mit der sich die Temperatur der Einzelphotonenquelle für deren Betrieb auf einen Temperaturwert absenken lässt, bei dem die Emissionsspektren der innerhalb der Kavität befindlichen Quantenpunkte überschneidungsfrei sind. Im Falle einer Temperaturreduktion verringert sich nämlich die Spektralbreite der Emissions- spektren der Quantenpunkte, so dass sehr dicht nebeneinander liegende Emissionsspektren, die sich bei Raumtemperatur überschneiden, getrennt werden können. Außerdem lässt sich durch eine Temperaturabsenkung eine Blauverschiebung der Emissionsspektren erreichen, so dass - falls keines der Einzel- Emissionsspektren der Quantenpunkte mit einer der longitudi- nalen Resonanzfrequenzen der Kavität „von sich aus" zusammen- fällt - durch eine gezielte Temperaturänderung zumindest eines der Einzel-Emissionsspektren in einen Resonanz- und damit in einen „Auskoppelbereich" verschoben werden kann.
Als selbständige Erfindung wird außerdem ein Verfahren zur Herstellung einer Einzelphotonenquelle angesehen, bei dem eine Kavität mit einer oder mehreren longitudinalen Resonanzfrequenzen hergestellt wird, wobei mindestens eine Quantenpunktschicht innerhalb der Kavität angeordnet wird, bei dem eine Anregeinrichtung derart hergestellt und angeordnet wird, dass diese während des Betriebs der Einzelphotonenquelle zumindest einen Quantenpunkt zum Generieren der Photonen anregt, und bei dem an den längs zur Emissionsrichtung der Photonen verlaufenden Seitenwänden der Kavität eine hochreflektierende Schicht aufgebracht wird.
Wie oben ausgeführt, sollte der Durchmesser der Kavität möglichst klein sein, um maximale Purcell-Faktoren zu erreichen. Um zu vermeiden, dass es bei einer Reduzierung des Durchmessers der Kavität zu den sonst üblicherweise auftretenden op- tischen Verlusten kommt - vgl. obige Ausführungen zum Stand der Technik im Zusammenhang mit dem zweiten vorbekannten Konzept - wird hier eine hochreflektierende Schicht vorgeschlagen, die auf den Seitenwänden der Kavität aufliegt. Auf diese Weise lassen sich Kavitätsgüten und Purcell-Faktoren errei- chen, die deutlich höher sind als die bei den eingangs vorgestellten Konzepten. Der Seitenwandrauigkeit dieser Metallschicht kommt eine besondere Bedeutung zu, da die hiermit verbundene Lichtstreuung massgeblich die realisierbaren Purcell-Faktoren begrenzt.
Die hochreflektierende Schicht kann beispielsweise durch eine Metallschicht, z. B. Goldschicht, realisiert werden. Vorzugsweise wird über A10x-Aperturen innerhalb der Kavität die Feldverteilung darüber hinaus noch weiter optimiert, um die optischen Verluste im Seitenwandbereich der Kavität zu reduzieren.
Als selbständige Erfindung wird außerdem eine Einzelphotonenquelle zum Emittieren einzelner linear polarisierter Photonen oder verschränkter Photonenpaare, insbesondere zum Einsatz in der Quantenkryptografie, angesehen mit einem oder mehreren
Quantenpunkten, die während des Betriebs der Einzelphotonenquelle Photonen mit jeweils einer Emissionsfrequenz generieren, mit einer Kavität, innerhalb derer die Quantenpunkte angeordnet sind, wobei die Kavität eine oder mehrere longitudi- nale Resonanzfrequenzen aufweist, und mit einer Ladungsträgerinjektionseinrichtung, die während des Betriebs der Einzelphotonenquelle in den Bereich der Kavität Ladungsträger injiziert und die Quantenpunkte zum Generieren der Photonen anregt, wobei während des Betriebs der Einzelphotonenquelle ausschließlich Photonen eines einzigen Quantenpunkts ausgekoppelt werden, nämlich die Photonen desjenigen Quantenpunkts, dessen Emissionsfrequenz einer der longitudinalen Resonanzfrequenzen der Kavität entspricht.
Vorteilhaft bei der vorgeschlagenen Einzelphotonenquelle ist, dass trotz des Vorhandenseins mehrerer prinzipiell „anregefähiger" Quantenpunkte lediglich ein einziger Quantenpunkt tatsächlich Photonen emittieren kann, weil nämlich nur bei einem Quantenpunkt die Emissionsfrequenz zu einer Resonanzfrequenz der Kavität passt. Durch die Mehrzahl der zur Verfügung stehenden Quantenpunkte wird in vorteilhafter Weise eine Redundanz gewährleitestet : Fällt nämlich der angeregte Quantenpunkt aus, so kann durch ein Verschieben der Emissionsfrequenzen der Quantenpunkte (z. B. durch ein Verändern der Tem- peratur) ein anderer Quantenpunkt, nämlich beispielsweise der energetisch nächstliegende, ausgewählt werden, indem dessen Emissionsfrequenz mit einer der longitudinalen Resonanzfrequenzen der Kavität in Deckung gebracht wird.
Vorzugsweise ist die Kavität derart dimensioniert, dass die zur Auskopplung der Photonen verwendete longitudinale Eigenfrequenz der Kavität der Emissionsfrequenz desjenigen Quan¬ tenpunkts entspricht, der von allen angeregten Quantenpunkten die kleinste Emissionsfrequenz aufweist.
Die Einzelphotonenquelle weist bevorzugt eine Strompfadbe- grenzungseinrichtung auf, die den Fluss der injizierten Ladungsträger im Bereich der Kavität bündelt und die Anzahl der tatsächlich angeregten Quantenpunkte reduziert.
Im Übrigen wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Einzelphotonenquelle eine Mehrzahl an Quantenpunkten aufweist, die in einer vorgegebenen Dichte angeordnet sind und eine vorgegebene Streuung ihrer Eigenschaften aufweisen.
Besonders bevorzugt ist die angeregte Teilgruppe der Quantenpunkte so klein und die vorgegebene Streuung der Eigenschaften der Quantenpunkte so groß, dass bei der Betriebstemperatur der Einzelphotonenquelle die Emissionsspektren der Quantenpunkte der Teilgruppe - zumindest einzelne davon, vorzugs- weise jedoch alle - überschneidungsfrei sind.
Beispielsweise ist die Dichte der Quantenpunkte kleiner als 5*109 pro Quadratzentimeter. Ein besonders bevorzugter Bereich liegt zwischen l*108 und 5*109 cm"2.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Einzelphotonenquelle ist vorgesehen, dass eine Temperatureinstelleinrichtung vorhanden ist, die die Temperatur der Einzelphotonenquelle für deren Betrieb auf eine vorgegebene Betriebs- temperatur absenkt, bei der die Emissionsspektren - zumindest einzelne davon, vorzugsweise jedoch alle - der innerhalb der Kavität befindlichen Quantenpunkte überschneidungsfrei sind. Als selbständige Erfindung wird außerdem eine Einzelphotonen¬ quelle zum Emittieren einzelner linear polarisierter Photonen oder verschränkter Photonenpaare - insbesondere zum Einsatz in der Quantenkryptografie - angesehen, mit mindestens einem Quantenpunkt, der während des Betriebs der Einzelphotonenquelle Photonen mit einer Emissionsfrequenz generiert, mit einer Kavität, innerhalb derer der mindestens eine Quantenpunkt angeordnet ist und die eine Filtercharakteristik auf- weist derart, dass nur eine resonate Kopplung zwischen einem einzigen der Quantenpunkte und der Kavität erfolgt, und mit einer Anregeinrichtung, die während des Betriebs der Einzelphotonenquelle den mindestens einen Quantenpunkt zum Generieren der Photonen anregt, wobei an den längs zur Emissions- richtung der Photonen verlaufenden Seitenwänden der Kavität eine hochreflektierende Schicht, insbesondere eine Metallschicht, aufgebracht ist.
Wie bereits erwähnt, kann durch die hochreflektierende Schicht der Durchmesser der Kavität verkleinert und der Pur- cell-Faktor vergrößert werden, ohne dass sich die optischen Verluste der Kavität signifikant vergrößern.
Als selbständige Erfindung wird auch ein Verfahren zum An- steuern einer Einzelphotonenquelle angesehen, bei dem die
Temperatur der Einzelphotonenquelle derart eingestellt wird, dass die Emissionsfrequenz desjenigen Quantenpunkts, der von allen angeregten Quantenpunkten die kleinste Emissionsfrequenz aufweist, mit einer longitudinalen Eigenfrequenz einer Kavität der Einzelphotonenquelle übereinstimmt.
Als selbständige Erfindung wird außerdem auch ein Verfahren zum Ansteuern einer Einzelphotonenquelle angesehen, bei dem das Emissionsspektrum einer für die optische Anregung verwen- deten Anregeinrichtung so eingestellt wird, dass das Emissionsspektrum energetisch oberhalb der Zustände des „aktiven" Quantenpunktes liegt und außerdem in einem Bereich liegt, in dem die Kavität der Einzelphotonenquelle transparent ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft:
Figur 1 schematisch die Erzeugung von Photonen durch einen Quantenpunkt anhand eines schematischen Energiediagramms für ein Ex- ziton X und ein Biexziton XX;
Figur 2 die gemessene Feinstrukturaufspaltung des bright-Exzitons im Grundzustand als Funktion der Exzitonen-Energie und der Quantenpunktgröße;
Figuren 3A, 3B die Emission von definiert polarisierten Photonen mit hoher Emissionsrate und die Emission polarisationsverschränkter Photonenpaare;
Figur 4 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Einzelphotonenquelle;
Figur 5 den Stromfluss innerhalb der Einzelphotonenquelle gemäß Figur 4;
Figur 6 das Reflexionsspektrum eines unteren Bragg-Spiegelpakets und eines oberen Bragg-Spiegelpakets der Einzelphotonenquelle gemäß Figur 4;
Figur 7 das Reflexionsspektrum einer Kavität der Einzelphotonenquelle gemäß Figur 4 im Detail; Figur 8 Lumineszenzeigenschaften zweier Quantenpunkte der Einzelphotonenquelle gemäß Fi¬ gur 4 bei unterschiedlichen Temperaturen;
Figur 9 Lumineszenzeigenschaften eines Ensembles von Quantenpunkten bei der Einzelphotonenquelle gemäß Figur 4 bei unterschiedlichen Temperaturen;
Figuren 10a) -c) das Auskoppeln der Photonen desjenigen Quantenpunktes mit der geringsten Emissionsfrequenz durch eine gezielte TemperaturSteuerung;
Figur 11 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Einzelphotonenquelle; und
Figur 12 das Lumineszenzspektrum eines Quantenpunktes und die Elektrolumineszenz einer Anregungs-LED der Einzelphotonenquelle gemäß Figur 11 bei tiefen Temperaturen.
In den Figuren 1 bis 12 werden für identische bzw. vergleichbare Elemente der Übersicht halber identische Bezugszeichen verwendet.
Figur 1 zeigt ein schematisches Energiediagramm für ein Exzi- ton X und ein Biexziton XX in einem Quantenpunkt. Die Feinstrukturaufspaltung FSS des exzitonischen Zustandes ergibt sich zu FSS = E2 - El. Die beiden senkrecht aufeinander stehenden Polarisationsrichtungen (π+, π-) der emittierten Photonen sind eingezeichnet.
Figur 2 stellt die gemessene Feinstrukturaufspaltung des bright-Exzitons im Grundzustand am Beispiel von InAs/GaAs als Funktion der Exzitonen-Energie und der Quantenpunktgröße dar. Schematisch ist die Feinstrukturaufspaltung als energetischer Abstand der beiden Exzitonen-Emissionslinien dargestellt. Man erkennt, dass die Größe von überwachsenen, epitaktischen Quantenpunkten direkt mit deren Verspannung korreliert ist und dass wiederum die Verspannung die Feinstrukturaufspaltung bestimmt; in der Figur 2 ist beispielhaft ein kleiner InAs- Quantenpunkt bestehend aus 2400 Atomen des Quantenpunktsmaterials mit dem Bezugszeichen 10 und ein großer InAs- Quantenpunkt bestehend aus 40000 Atomen des Quantenpunktsmaterials mit dem Bezugszeichen 15 gekennzeichnet. Aufgrund dieser Zusammenhänge ist es möglich, die Größe der Feinstrukturaufspaltung einzustellen, indem man Quantenpunkte 10 bzw. 15 der entsprechenden Größe herstellt. Die in der Figur 2 nur schematisch dargestellten Quantenpunkte weisen vorzugsweise die Form einer oben abgeschnittenen Pyramide mit quadrati- scher Grundfläche auf.
Einzelphotonenemitter, die auf Quantenpunkten beruhen, bieten den wesentlichen Vorteil gegenüber existierenden Lösungen - wie z. B dem eingangs beschriebenen, abgeschwächten Laser -, dass sie im Prinzip Photonen "on-demandλλ produzieren können. Das bedeutet, dass jeder Puls bei 100 % Quanteneffizienz genau ein Photon erzeugt. Eine Einzelphotonenquelle, die für die Quantenkryptographie eingesetzt werden soll, muss „on- demand" entweder Photonen eines definierten Polarisationszu- Standes oder Paare von polarisationsverschränkten Photonen emittieren können. Für die Erzeugung einzelner Photonen mit einer definierten Polarisation muss die Feinstrukturaufspaltung möglichst groß sein, um mit energetischen Filtern (z.B. einer angepassten Kavität) einen einzigen exzitonischen Zu- stand auswählen zu können. Für die Erzeugung von polarisationsverschränkten Photonenpaaren muss die Feinstrukturaufspaltung zumindest annähernd verschwinden. Es werden hierbei Photonen aus der Biexziton -→ Exziton → 0 Zerfallskaskade verwendet (siehe auch Figur 1) . Ein zu großer energetischer Abstand zwischen den zwei vorhandenen exzitonischen Zuständen verhindert hingegen die Verschränktheit des emittierten Photonenpaares . Die entscheidende Größe zur Herstellung von entsprechenden Einzelphotonenquellen basierend auf Quantenpunkten ist somit die Feinstrukturaufspaltung. Sie bestimmt die energetische Aufspaltung des exzitonischen Grundzustandes in zwei Zustän¬ de, die senkrecht zueinander polarisiert sind. Die Feinstrukturaufspaltung ist in den 90er Jahren das erste Mal bei epitaktischen Quantenpunkten beobachtet worden. Ohne Kontrolle über sie galt sie jedoch bis heute als störender Parameter, der verschränkte Photonenpaare unterbindet. Aufgrund des hier neu beschriebenen Verfahrens ist nun eine gezielte Größenkontrolle der Feinstrukturaufspaltung möglich. Das hier vorgestellte Verfahren erlaubt die Kontrolle der Feinstrukturaufspaltung direkt durch das Einstellen der Quantenpunktgröße während der Herstellung der Quantenpunkte. Die Feinstrukturaufspaltung hängt von der räumlichen Symmetrie des elektronischen Potentials eines Quantenpunktes ab. Verspannungen in den Quantenpunktstrukturen führen zu piezoelektrischen Feldern, die die Potentialsymmetrie und damit die Feinstruktur- aufspaltung beeinflussen. Dabei gilt: je größer die Verspannung, desto größer die Feinstrukturaufspaltung. Da die Verspannung abhängig von der Größe der Quantenpunkte ist, kann man durch die Wahl einer bestimmten Quantenpunktgröße direkt die Größe der Feinstrukturaufspaltung auswählen.
Die Figuren 3A und 3B zeigen hierzu eine schematische Darstellung zweier Beispiele. Bei Wahl einer großen Feinstrukturaufspaltung (Figur 3A) wird durch eine Kavität die Emission von einem Exziton über den Purcell-Faktor verstärkt und von dem anderen unterdrückt. So resultieren definiert polarisierte Photonen mit hoher Emissionsrate. Durch elektrisches Pumpen ist somit die kontrollierte Erzeugung von Photonen einer definierten Polarisationsrichtung und hoher Emissionsrate möglich (z. B. für eine BB84-Anwendung (Quantenkryptographi- sches Übertragungsprotokoll) ) . Nur wenn die Feinstrukturaufspaltung verschwindet (vgl. Figur 3B: Quantenpunkte mit FSS=O) , können polarisationsverschränk- te Photonenpaare erzeugt werden. Von einem entsprechenden E- mitter kann je eines der verschränkten Photonen der Biexzi- ton→ Exziton → 0 Zerfallskaskade zu jeweils einem Empfänger 1 bzw. 2 geschickt werden (siehe Figur 3B). Bei verschränkten Photonenpaaren bestimmt die Messung der Polarisation eines Photons direkt das Messergebnis der Polarisation des anderen Photons. Durch Ausnutzen dieses quantenmechanischen Effektes kann also Information von einem zum anderen Empfänger über¬ tragen werden, indem einer der beiden Empfänger Messungen an „seinem" Photon vornimmt und so das Messergebnis des zweiten Empfängers bestimmt.
Figur 4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Einzelphotonenquelle 100 im Detail. Man erkennt ein Substrat 105 aus beispielsweise GaAs-Material, auf dem ein unteres Bragg-Spiegelpaket 110 (vorzugsweise aus Oxidmaterial) mit Spiegelschichtpaaren 115 unterschiedlicher Brech- zahl aufgebracht ist. Auf dem unteren Bragg-Spiegelpaket 110 befindet sich eine untere, beispielsweise n-dotierte, elektrische Kontaktschicht 120 einer durch eine pin-Diodenstruktur 130 gebildeten Ladungsträgerinjektionseinrichtung. Zwischen einer beispielsweise p-dotierten oberen elektrischen Kontakt- schicht 140 der pin-Diodenstruktur 130 und der unteren elektrischen Kontaktschicht 120 befindet sich eine aktive Schicht 150 mit einer Vielzahl an Quantenpunkten 160 (z. B. aus In(Ga)As) in einer Monolage sowie eine n-dotierte Zwischenschicht 165. Die Quantenpunkte 160 weisen eine vorgegebene Dichte und damit einen vorgegebenen mittleren Abstand zueinander auf. Über der oberen elektrischen Kontaktschicht 140 der pin-Diodenstruktur 130 befindet sich ein oberes Bragg- Spiegelpaket 170, durch das Photonen 180 nach oben aus der Einzelphotonenquelle 100 austreten können. Das obere Spiegel- paket 170 besteht vorzugsweise aus Oxidmaterial. Bezugszeichen 190 und 195 bezeichnen elektrische Anschluss¬ kontakte der Einzelphotonenquelle 100; besonders bevorzugt handelt es sich bei den Kontakten 190 und 195 um Intrakavi- tätskontakte . Intrakavitätskontakte sind solche, die zwischen den beiden Spiegelpaketen 110 und 170 angeordnet sind.
Über, unter oder innerhalb der aktiven Schicht 150 kann außerdem eine Verspannungsanpassungsschicht vorhanden sein, mit der sich die Materialspannung im Bereich der Quantenpunkte im Hinblick auf die gewünschte Feinstrukturaufspaltung sowie im Hinblick auf die Einstellung der Emissionswellenlänge regulieren lässt.
Darüber hinaus erkennt man in der Figur 4 eine nichtleitende Schicht 200 mit einer Öffnung 210; die nichtleitende Schicht 200 bildet eine Stromapertur 220, durch die der Strom I der pin-Diodenstruktur 130 hindurchfließt.
Der Stromfluss I ist in der Figur 5 näher gezeigt. Man sieht in der Figur 5 rechts unten den oberen Teil der Einzelphotonenquelle 100 gemäß der Figur 4; links oben ist in der Figur 5 der Stromfluss in dreidimensionaler Sicht visualisiert . Es lässt sich erkennen, dass die Stromapertur 220 eine Strom- pfadbegrenzungseinrichtung der Einzelphotonenquelle 100 bil- det, die den Strom derart begrenzt, dass von den Quantenpunkten 160 nur eine Teilgruppe 160' angeregt wird; die übrigen Quantenpunkte 160' ' werden nicht angeregt, weil kein ausreichender Strom in deren Bereich fließt.
Der Strompfad des Stromes I wird bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der Figur 5 außerdem noch durch ein geeignetes Dotierungsprofil in der n-dotierten Zwischenschicht 165 und der p- dotierten Kontaktschicht 140 begrenzt. Die Dotierung steigt in beiden Schichten jeweils zu den Kontakten hin an und fällt dementsprechend in Richtung zur aktiven Schicht 150 und in
Richtung zu den Quantenpunkten 160 ab; dies wird in der Figur 5 durch die Pfeile Pl und P2 angedeutet. Allgemein gilt: je höher die Dotierungslevel desto kleiner ist die Strompfadauf¬ weitung und desto inhomogener wird die Apertur durchströmt. Ziel der Strompfadbegrenzung ist es dabei, aus dem Quantenpunkt-Ensemble 160 möglichst wenige Quantenpunkte 160' elekt- risch anzuregen und möglichst viele Quantenpunkte 160' ' unan- geregt zu lassen.
In der Figur 6 ist das Reflexionsspektrum des unteren Bragg- Spiegelpakets 110 und des oberen Bragg- Spiegelpakets 170 dar- gestellt. Jedes Spiegelpaket ist grundsätzlich für eine Wel¬ lenlänge λ ausgelegt. Es besteht aus Schichtpaaren eines Materials mit hohem Brechungsindex und eines Materials mit niedrigem Brechungsindex, deren optische Dicke jeweils λ/4 beträgt. Je höher der Brechungsindexkontrast ist (vgl. Kurve 250 für einen hohen Brechungsindexkontrast und Kurve 255 für einen kleinen Brechungsindexkontrast) , desto breiter ist das Stoppband Δλ, desto kleiner ist die Eindringtiefe der Welle in die Spiegel und desto weniger Spiegelpaare werden für eine hohe Reflektivität benötigt.
Durch das untere Bragg-Spiegelpaket 110 und das obere Bragg- Spiegelpaket 170 wird eine Mikrokavität 260 gebildet (vgl. Fig. 4) . Unter dem Begriff Mikrokavität sind Kavitäten mit einer Größe im Mikrometerbereich zu verstehen. Die Figur 7 zeigt das Reflexionsspektrum der Kavität 260 im Detail. Je höher die Güte der Kavität ist, desto kleiner ist die spektrale Breite Δλc sogenannter cavity-dips 265 der Kavität 260. Als cavity dips werden die longitudinalen Moden der Kavität bezeichnet. Über die spektrale Breite Δλc der cavity dips 265 definiert sich die Güte der Kavität. Je höher die Güte desto schmaler ist der cavity dip. Der freie Spektralbereich Δλf zwischen den cavity dips ist von der Länge L der Kavität abhängig. Umso größer diese ist, desto näher liegen die cavity dips 265 zusammen. Die Moden der Kavität bilden eine stehende räumliche Feldverteilung. Die Kavitätslänge L ist vorzugsweise so klein wie nur möglich, ideal wäre eine Länge L = λ/2, wobei λ die Wellenlänge der emittierten Photonen bezeichnet. Wie bereits eingangs erwähnt, verfügen Quantenpunkte über diskrete Energiezustände und damit über ein diskretes Lumineszenzspektrum. Die Zustände und damit die Lumineszenzeigen- Schäften eines Quantenpunktes hängen empfindlich von drei Parametern ab: Materialkomposition, Größe und Form der Quantenpunkte sowie der Temperatur. Da nach der Fertigstellung des Bauelementes die Temperatur der einzige noch variable Parameter ist, kommt ihm eine besondere Bedeutung zu. Daher soll an dieser Stelle noch näher auf ihn eingegangen werden. Wird die Temperatur erhöht, so kommt es zu einer Linienverbreiterung und Rotverschiebung der Lumineszenz. Dies zeigt die Figur 8.
Man erkennt in der Figur 8 die Lumineszenz zweier einzelner Quantenpunkte: Kurven 270 und 270' zeigen die Lumineszenz bei
Raumtemperatur, Kurven 275 und 275' bei tiefen Temperaturen
(~4K) . Bei einer Erhöhung der Temperatur kommt es zu einer
Linienverbreiterung und einer Rotverschiebung; im Falle einer
Reduktion der Temperatur kommt es zu einer Linienbreitenver- kleinerung sowie zu einer Blauverschiebung der Lumineszenz.
Der Abstand der Maxima bleibt dabei konstant.
Beim epitaktischen Wachstum von Quantenpunkten tritt eine Fluktuation bezüglich Größe und Komposition um einen Mittel- wert auf. Diese wirkt sich unmittelbar auf die Lumineszenzeigenschaften aus. Es kommt zu einer Verteilung um eine mittlere Photonenenergie. Das bei tiefen Temperaturen diskrete Lumineszenzspektrum eines Ensembles von Quantenpunkten ähnlicher Größe und Materialkomposition verschmilzt bei Raumtempe- ratur zu einem breiten, rotverschobenen Emissionsspektrum. Dies zeigt die Figur 9 beispielhaft.
Man erkennt in der Figur 9 ein Lumineszenzspektrum eines Ensembles in Größe und Materialkomposition ähnlicher Quanten- punkte, einmal bei Raumtemperatur (Kurve 280) und bei tiefen Temperaturen (Kurve 285) . Die Intensitätsverteilung des Emissionsspektrums spiegelt die Verteilungsfunktion der Quanten- punkte wieder. Es ist leicht zu erkennen, dass die Anzahl der angeregten Quantenpunkte umso stärker abnimmt, je mehr sich Größe und Komposition der Quantenpunkte von deren Mittelwert entfernt. Eine resonante Anregung einzelner Quantenpunkte lässt sich also nur erreichen, wenn sich die Emissionspeaks der Quantenpunkte nicht überlappen. Dies lässt sich durch einen ausreichenden energetischen Abstand zwischen den Quantenpunkten erreichen, oder aber dadurch, dass die Betriebstemperatur abgesenkt wird, wodurch die Emissionslinien voneinander getrennt werden.
Die in der Figur 4 gezeigte Einzelphotonenquelle 100 kann gedanklich in zwei Grundelemente zerlegt werden: Das erste Grundelement wird durch die p-i-n-Diodenstruktur 130 gebil- det, innerhalb derer sich die Monolage Quantenpunkte 160 befindet. Das zweite Grundelement wird durch einen einzelnen, mit der Mikrokavität 260 resonant gekoppelten Quantenpunkt gebildet. Um zu erreichen, dass von den angeregten Quantenpunkten 160' gemäß Figur nur ein einziger tatsächlich Photo- nen nach außen abgeben kann, wird die selektierende Wirkung des cavity-dip 265 genutzt. Die Einzelphotonenquelle 100 wird hierzu in einem Temperaturbereich betrieben, bei dem das Lumineszenzspektrum aus einzelnen, sich nicht überlappenden E- missionslinien besteht.
Durch die Strompfadbegrenzungseinrichtung ist die Zahl der angeregten Quantenpunkte 160' - bezogen auf die Gesamtzahl der Quantenpunkte 160 - bereits beträchtlich eingeschränkt worden. Die verbleibenden elektrisch angeregten Quantenpunkte 160' unterliegen - wie bereits oben angedeutet - einer gewissen Verteilung bezüglich ihrer energetischen Zustände. Über eine Änderung der Temperatur kann nun bei einer ausreichend kleinen cavity-dip-Breite Δλc erreicht werden, dass nur ein einzelner Quantenpunkt resonant mit der Kavität 260 gekoppelt wird. Die in Figur 10 a) dargestellte Situation entspricht vom Prinzip her den Verhältnissen in einer VCSEL-Struktur (VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser) . Der cavity-dip 265' liegt im Maximum der thermisch verbreiterten Lumineszenzver- teilung 300 der Quantenpunkte. Dort überlappen sich die meisten Zustände der einzelnen Quantenpunkte, was zur Folge hat, dass viele Quantenpunkte gleichzeitig mit der Kavität reso- nant gekoppelt sind. Dies ist in einer Laserstruktur sehr willkommen, da somit die meisten Quantenpunkte zur induzier- ten Emission beitragen. Mit Absenken der Temperatur ändert sich die Situation grundlegend.
In der Figur 10 b) ist kein Quantenpunkt-Zustand in Resonanz mit der Mikrokavität . Der cavity dip 265' befindet sich am Rand der Lumineszenzverteilung des Quantenpunkt-Ensembles. Genauer gesagt - auf der langwelligeren Seite (d.h. in der Darstellung auf der niederfrequenten bzw. niederenergetischen Seite) .
Der Ausschnittsvergrößerung in der Figur 10 c) lässt sich entnehmen, dass sich durch eine weitere Abkühlung eine der Lumineszenzlinien 305 in Resonanz mit der Kavität bringen lässt. Geschieht dies, so ist ausschließlich ein einziger Quantenpunkt in Resonanz mit der Kavität. Eine Reabsorption der Photonen dieses in Resonanz mit der Kavität befindlichen Quantenpunkts ist nicht möglich, da die Anregungsenergien für die anderen Quantenpunkte der umgebenden pin-Diodenstruktur 130 höher sind.
Die Struktur gemäß der Figur 4 ist somit in der Lage einen einzelnen, elektrisch angeregten Quantenpunkt 160' resonant mit der Mikrokavität 260 zu koppeln.
Um die Funktionsweise der Einzelphotonenquelle 100 zu ver- deutlichen, sollen die Unterschiede zwischen vorbekannten
VCSEL-Laserstrukturen und der in der Figur 4 gezeigten Einzelphotonenquelle 100 nochmals kurz zusammengefasst werden: Trotz der großen Ähnlichkeiten zwischen einem VCSEL und der hier vorgeschlagenen Struktur bestehen eine Reihe von wesentlichen Unterschieden, die ihren Ursprung in der völlig entgegensetzten Anwendung der beiden Bauelemente finden. Zum einen handelt es sich dabei um Designunterschiede, zum anderen werden die Eigenschaften der einzelnen Komponenten mit unterschiedlichem Ziel genutzt. Bei der Einzelphotonenquelle 100 besteht die aktive Schicht nur aus einer Monolage mit Quantenpunkten. Ziel beim Wachstum dieser Monolage ist dabei, ei- ne möglichst geringe Dichte und eine hohe Fluktuation bezüglich Größe und Materialkomposition der Quantenpunkte 160 zu erreichen. Dies wird durch geeignete Führung des Kristallwachstums sichergestellt. Beides zielt darauf ab, den energetischen Abstand zwischen den einzelnen Lumineszenzlinien der Quantenpunkte zu maximieren, so dass eine Selektion einer einzelnen Linie und damit die resonante Kopplung eines einzelnen Quantenpunktes realisiert werden kann. Beim VCSEL- Laser hingegen soll genau das vermieden werden. Daher werden mehrere Quantenpunkt-Schichten mit maximaler Dichte in der Kavität platziert. Die Fluktuation der Quantenpunkte beim
Wachstum soll dabei minimal sein, so dass durch die Verbreiterung der Lumineszenzlinien bei Raumtemperatur und der daraus folgenden Überlappung möglichst viele Quantenpunkte in Resonanz mit der Kavität gebracht werden können. Daher wird die VCSEL-Struktur auch so ausgelegt, dass sich der „cavity dip" bei Betriebstemperatur im Maximum der Lumineszenzverteilung befindet.
Reabsorption durch nichtangeregte Quantenpunkte hingegen wirkt sich bei 'beiden Bauelementen negativ aus. Beim VCSEL besteht der Ansatz, diese zu vermeiden, darin, möglichst alle in der Kavität befindlichen Quantenpunkte elektrisch anzuregen. Dafür wird der Stromfluss durch die Apertur möglichst homogen gestaltet, so dass auch Quantenpunkte, die nicht in der Mitte der Apertur liegen, gepumpt werden. Wie bereits o- ben erwähnt ist letzteres bei der Einzelphotonenquelle 100 gemäß der Figur 4 unerwünscht, da hier möglichst wenige, ide- alerweise nur ein einziger Quantenpunkt, elektrisch angeregt werden sollen. Um nun Reabsorptionsverluste an nicht- angeregten Quantenpunkten zu verhindern, wird die Einzelpho¬ tonenquelle 100 vorzugsweise so konzipiert, dass sich der ca- vity dip 265 bei Betriebstemperatur auf der niederenergetischen Seite der Lumineszenzverteilung befindet. Ist die Kavi- tät mit einem Quantenpunkt in Resonanz, dessen Rekombinationsenergie kleiner ist als die aller anderen Quantenpunkte, so können die von ihm emittierten Photonen nicht mehr innerhalb der Struktur reabsorbiert werden, weil deren Energie für eine Absorption durch die übrigen Quantenpunkte zu klein ist.
Auch in Bezug auf die Wahl der Kavitätslänge L bestehen Unterschiede zwischen einem VCSEL-Laser und der Einzelphotonen- quelle 100 gemäß Figur 4. Beim VCSEL steht die optimale Platzierung möglichst vieler Schichten in den Maxima der räumlichen Feldverteilung innerhalb der Kavität im Vordergrund. In der Regel beträgt die VCSEL-Kavitätslänge das ein- bis fünffache der Emissionswellenlänge des Lasers. Eines der Primär- ziele beim Design der Einzelphotonenquelle 100 ist hingegen die optimale Ausnutzung des Purcelleffektes und der damit verbundenen Steigerung der spontanen Emissionsrate. Da das Modenvolumen hierbei eine wesentliche Rolle spielt, wird die Kavitätslänge so klein wie nur möglich gewählt, idealerweise beträgt die Kavitätslänge λ/2, was durch die Wahl eines kleinen mittleren Brechzahlindex (kleiner als die Brechzahl der angrenzenden oberen und unteren Spiegelschicht) möglich ist.
Die beschriebene Einzelphotonenquelle 100 erfüllt alle ein- gangs aufgeführten Forderungen an ein für die Quantenkryptographie nutzbares Bauelement. An erster Stelle sei dabei die Möglichkeit genannt, direkt elektrische Signale zu verarbeiten. Eine Systemintegration wird hierdurch wesentlich vereinfacht. Die resonante Kopplung der Quantenpunkt-Zustände mit den Moden einer Mikrokavität gewährleistet durch die Ausnutzung des Purcelleffektes eine ausreichende spontane Emissionsrate. Zusammen mit der ebenfalls durch die Kavität gegebe- nen Emissionsvorzugsrichtung wird somit die Effizienz den Be¬ dürfnissen eines realistischen Bauelementes angepasst. Auch die optischen Verluste, die bei der Einkopplung in Glasfasern auftreten, sind minimal. Die Ursache hierfür liegt in der zum VCSEL identischen Abstrahlcharakteristik, welche sich durch kleine Öffnungswinkel und runde Strahlprofile auszeichnet. Durch die Verwendung von Quantenpunkten ist das Bauelement prinzipiell in der Lage, die für die Telekommunikation inte¬ ressanten Wellenlängen von 1,3 μm bzw. 1,55 μm zu verwenden. Durch die strukturelle Ähnlichkeit zum VCSEL bietet die vor¬ gestellte Einzelphotonenquelle 100 darüber hinaus den Vor¬ teil, dass sich deren Herstellung mit bereits etablierten Me¬ thoden und Verfahren realisieren lässt.
Wenn die Einzelphotonenquelle 100 gemäß der Figur 4 verschränkte Photonenpaare erzeugen soll, werden die Quantenpunkte 160 im Falle von In(Ga)As vorzugsweise mit 800 bis 5000 Atomen des Quantenpunktmaterials gebildet. Bei einer solchen Größe der Quantenpunkte ist die Feinstrukturaufspal- tung in der Regel ausreichend klein, um verschränkte Photonenpaare erzeugen zu können; vorzugsweise liegt die Feinstrukturaufspaltung innerhalb eines Intervalls zwischen -100 μeV und +100 μeV, noch besser zwischen -50 μeV und +50 μeV. Die Grundzustandsenergie der Quantenpunkte liegt beispiels- weise zwischen 1,27 eV und 1,33 eV.
Wenn die Einzelphotonenquelle 100 gemäß der Figur 4 hingegen einzelne Photonen mit definierter Polarisation erzeugen soll, werden die Quantenpunkte 160 vorzugsweise mit 40000 bis 125000 Atomen des Quantenpunktmaterials gebildet. Bei einer solchen Größe der Quantenpunkte 160 wird die Feinstrukturaufspaltung in der Regel ausreichend groß, um die unerwünscht miterzeugten Photonen „wegfiltern" zu können; bevorzugt wird eine Feinstrukturaufspaltung von mindestens +400 μeV, beson- ders bevorzugt von mindestens +500 μeV oder mehr, eingestellt. Die Grundzustandsenergie der Quantenpunkte ist beispielsweise kleiner als 1,1 eV. In der Figur 11 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Einzelphotonenquelle 100 gezeigt. Man erkennt ein Substrat 500 mit einem unteren Bragg-Spiegelpaket bzw. DBR- Spiegelpaket (DBR: Distributed Bragg Reflector) 505, einer darüber befindlichen LED- Struktur 510 und einer über der LED- Struktur 510 befindlichen Mikrokavität 515. Im Unterschied zu der Einzelphotonenquelle 100 gemäß Figur 4 sind in der Kavi- tät 515 gemäß Figur 11 nur sehr wenige Quantenpunkte enthal- ten. Nachfolgend wird beispielhaft davon ausgegangen, dass in der Kavität nur ein einziger Quantenpunkt 520 enthalten ist, der durch die elektrisch über Kontakte 525 und 530 ansteuerbare LED-Struktur 510 optisch angeregt wird. Durch das sich unterhalb der LED-Struktur 510 befindliche Bragg-Spiegelpaket 505 wird die Auskoppeleffizienz der als „Pump-LED" arbeitenden LED-Struktur 510 erhöht.
Durch die Kavität 515 wird der Purcell-Effekt ausgenutzt, welcher den Einfluss der resonanten Kopplung der energeti- sehen Zustände des Quantenpunkts 520 mit den Moden der Kavität 515 auf die spontane Emissionsrate beschreibt. Der Parameter, der diesen Effekt quantifiziert, ist der Purcellfaktor F . Dieser ist abhängig von der Güte und dem Modenvolumen der
Kavität und beschreibt das Verhältnis der Lebensdauern eines quantenmechanischen Zustandes außer und innerhalb einer Kavität gemäß :
Fp = / τ cav.
Der Zusammenhang zwischen Purcellfaktor und den Kavitätspara- metern ist gegeben durch
Fp=3Q(λQ/n) /4π V
mit λ : Wellenlänge, n: Brechzahl, V: Modenvolumen. Dabei sind die für das Design der Kavität 515 wichtigen Para¬ meter das Modenvolumen V und der Gütefaktor Q der Kavität 515. Die Herausforderung bei der Gestaltung der Kavität 515 besteht vor allem in der Realisierung eines hinreichend klei- nen Modenvolumens V. Um einen deutlichen Einfluss auf die spontane Emissionsrate durch den Purcell-Effekt zu erzielen, sind kleine Kavitätsdurchmesser d von 0,5μm bis max. 3μm erstrebenswert. Wie man sofort sieht, lässt sich der Purcellfaktor leicht durch eine Verringerung des Kavitätsdurchmes- sers erhöhen, da F- l/V gilt.
Der Gütefaktor Q ist abhängig von den inneren und äußeren optischen Verlusten der Kavität 515. Innere Verluste entstehen durch Lichtabsorption, äußere Verluste durch teilweise ge- wolltes Auskoppeln durch die Resonatorspiegel aufgrund deren endlicher Reflektivität sowie verschiedener Streumechanismen. Mit abnehmendem Säulendurchmesser d der Kavität 515 steigen die äußeren optischen Verluste der Kavität an. Ursache hierfür sind eine Abnahme der Spiegelreflektivitäten aufgrund zu- nehmend gekrümmter Wellenfronten, eine abnehmende horizontalen Wellenführung, und die zunehmende Lichtstreuung, verursacht durch Rauhigkeiten am Säulenmantel 540 der Kavität. Da die Güte der Kavität direkt in den Purcellfaktor eingeht, ist leicht ersichtlich, dass eine Erhöhung des Purcellfaktors nur durch die Verringerung des Kavitätsdurchmessers d limitiert ist. Die Forderung nach kleinen Säulendurchmessern d zieht jedoch das Problem nach sich, dass die optischen Verluste mit abnehmendem Durchmesser stark zunehmen, so dass es zu einer dramatischen Verschlechterung des Gütefaktors Q der Kavität kommt .
Um den bei einer Reduzierung des Säulendurchmessers d steigenden optischen Verlusten der Kavität entgegenzuwirken, ist der Säulenmantel 540 der in der Figur 11 gezeigten Einzelpho- tonenquelle 100 mit einer hochreflektierenden Beschichtung 550 versehen. Die hochreflektierende Beschichtung 550 kann beispielsweise durch eine Goldschicht gebildet sein. Mit die- ser Konfiguration lassen sich Purcell-Faktoren erreichen, die deutlich höher sind als bei Einzelphotonenquellen 100 mit unbeschichteten bzw. anders beschichteten Kavitäten.
Über AlOx-Aperturen, die in der Figur 11 mit den Bezugszeichen 560 gekennzeichnet sind, lässt sich darüber hinaus die Feldverteilung innerhalb der Kavität 515 noch weiter im Hin¬ blick auf minimale Verluste und minimales Modenvolumen optimieren, indem die optische Feldverteilung möglichst weit vom Säulenrand 540 der Kavität ferngehalten wird. Zusätzlich wird durch die AlOx-Schichten der effektive Brechungsindex innerhalb der Kavität verringert und ist kleiner als der Brechungsindex der oben und unten angrenzenden Spiegelschichten, bestehend z.B. aus GaAs. Damit wird erst eine minimale Kavi- tätslänge von λ/2 ermöglicht.
Das Emissionsspektrum der für die optische Anregung verwendeten LED 510 ist vorzugsweise so gewählt, dass die Anregung energetisch oberhalb der Zustände des Quantenpunktes 520 liegt; die Kavität 515 ist in diesem Wellenlängenbereich bevorzugt transparent.
Die Kurve 600 der Figur 12 zeigt das Lumineszenzspektrum des Quantenpunktes 520 bei tiefen Temperaturen; die Kurve 610 zeigt die Elektrolumineszenz der Anregungs-LED. Die Bezugszeichen 265, 265' und 265'' bezeichnen die longitudinalen Moden der Kavität 515.
Die in der Figur 11 gezeigte Einzelphotonenquelle 100 erfüllt ebenfalls alle eingangs gestellten Forderungen an ein für die Quantenkryptographie nutzbares Bauelement. Zunächst einmal ist die Einzelphotonenquelle 100 in der Lage, elektrische Signale direkt zu verarbeiten. Durch die Ausnutzung des Pur- cell-Effektes ist die spontane Emissionsrate ausreichend hoch und kann wegen der effektiven Unterdrückung optischer Verluste durch die Verspiegelung des Kavitätsmantels 540 weiter gesteigert werden. Die Kavität 515 wirkt sich auch positiv auf die Abstrahlcharakteristik aus. So ergibt sich ein rundes Strahlprofil, so dass eventuelle optische Verluste bei der Einkoppelung in Fasern reduziert werden. Auch wenn sich in der Kavität 515 mehrere Quantenpunkte befinden werden, die optisch zur Emission von Photonen angeregt werden, wird durch die Filtercharakteristik der Kavität sicher gestellt, das nur Photonen innerhalb eines sehr schmalen Frequenzbandes, also Photonen eines einzelnen Quantenpunktes, aus der Kavität ausgekoppelt werden. Es sind hier Quantenpunkte mit Emissions- Wellenlängen von 1.3 μm bzw. 1.55 μm realisierbar. Damit können mit dieser Einzelphotonenquelle 100 bereits verlegte Glasfasernetzwerke genutzt werden. Die Herstellung der Einzelphotonenquellen 100 kann durch bereits etablierte Verfahren realisiert werden. Auch kann für die Systemintegration auf ausgereifte Technologien zurückgegriffen werden.
Wenn die Einzelphotonenquelle 100 gemäß der Figur 11 verschränkte Photonenpaare erzeugen soll, wird der Quantenpunkt 520 vorzugsweise mit 800 bis 5000 Atomen des Quantenpunktma- terials gebildet. Durch die Wahl der Größe des Quantenpunktes 520 wird bevorzugt eine Feinstrukturaufspaltung zwischen -100 μeV und +100 μeV oder besser zwischen nur -50 μeV und +50 μeV - ideal wäre exakt Null - eingestellt. Die Grundzustandsener- gie des Quantenpunktes 520 liegt beispielsweise zwischen 1,27 eV und 1,33 eV. Die Höhe h des Quantenpunkts liegt in diesem Falle vorzugsweise zwischen 0,3 nm und 0,9 nm.
Wenn die Einzelphotonenquelle 100 gemäß der Figur 11 hingegen einzelne Photonen mit definierter Polarisation erzeugen soll, wird der Quantenpunkt 520 vorzugsweise mit 40000 bis 125000 Atomen des Quantenpunktmaterials gebildet. Bei einer solchen Größe des Quantenpunkts 520 wird die Feinstrukturaufspaltung in der Regel ausreichend groß, um die unerwünscht miterzeugten Photonen „wegfiltern" zu können; bevorzugt wird eine Feinstrukturaufspaltung von mindestens +400 μeV, besonders bevorzugt von mindestens +500 μeV oder mehr, eingestellt. Die Grundzustandsenergie des Quantenpunkts 520 ist beispielsweise kleiner als 1,1 eV. Die Höhe h des Quantenpunkts ist in die¬ sem Falle vorzugsweise größer als 2 nm.
Bezugszeichen
10 kleiner Quantenpunkt
15 großer Quantenpunkt 100 Einzelphotonenquelle
105 Substrat
110 unteres Bragg-Spiegelpaket
115 Spiegelschichtpaaren
120 untere elektrische Kontaktschicht 130 pin-Diodenstruktur
140 obere elektrische Kontaktschicht
150 aktive Schicht
160 Quantenpunkte
160' angeregte Quantenpunkte 160" nicht angeregte Quantenpunkte
165 Zwischenschicht
170 oberes Bragg-Spiegelpaket
180 Photonen
190,195 elektrische Anschlusskontakte 200 nichtleitende Schicht
210 Öffnung
220 Stromapertur
250 Kurve für hohen Brechungsindexkontrast
255 Kurve für kleinen Brechungsindexkontrast 260 Mikrokavität
265,265' ,265' ' cavity-dips
270, 270' Kurven
280, 285 Kurven
500 Substrat 505 unteres Bragg-Spiegelpaket
510 LED-Struktur
515 Mikrokavität
520 einziger Quantenpunkt
525, 530 Kontakte 540 Säulenrand
550 hochreflektierende Beschichtung
600, 610 Kurven x Exziton
XX Biexziton
FSS Feinstrukturaufspaltung π+, π- senkrecht aufeinander stehende Polarisa- tionsrichtungen
Pl, P2 Dotierungsprofile
Δλc spektrale Breite eines cavity-dips
Δλf freier Spektralbereich zwischen cavity dips L Länge der Kavität

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen einer Einzelphotonenquelle (100) mit einem vorgegebenen Betriebsverhalten, wobei bei dem Ver- fahren
- das vorgegebene Betriebsverhalten der Einzelphotonenquelle (100) durch ein gezieltes Einstellen der Feinstrukturauf¬ spaltung (FSS) des exzitonischen Energieniveaus mindestens eines Quantenpunkts (160', 520) festgelegt wird, - indem der mindestens eine Quantenpunkt mit einer der einzu¬ stellenden Feinstrukturaufspaltung entsprechenden Quanten¬ punktgröße hergestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung einer verschränkte Photonenpaare erzeugenden
Einzelphotonenquelle (100) der mindestens eine Quantenpunkt (160', 520) mit 800 bis 5000 Atomen des Quantenpunktmaterials gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung einer verschränkte Photonenpaare erzeugenden Einzelphotonenquelle durch die Wahl der Quantenpunktgröße eine Feinstrukturaufspaltung (FSS) zwischen -100 μeV und +100 μeV eingestellt wird.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung einer verschränkte Photonenpaare erzeugenden Einzelphotonenquelle (100) die Grund- zustandsenergie des mindestens einen Quantenpunkts zwischen 1,27 eV und 1,33 eV eingestellt wird.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung einer einzelne Photonen mit definierter Polarisation erzeugenden Einzelphotonenquelle (100) der mindestens eine Quantenpunkt (160', 520) mit 40000 bis 125000 Atomen des Quantenpunktmaterials gebildet wird.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung einer einzelne Photonen mit definierter Polarisation erzeugenden Einzelphotonenquelle
(100) durch die Wahl der Quantenpunktgröße eine Feinstruktur- aufspaltung (FSS) von mindestens +300 μeV eingestellt wird.
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung einer einzelne Photonen mit definierter Polarisation erzeugenden Einzelphotonenquelle (100) die Grundzustandsenergie des mindestens einen Quantenpunkts (160', 520) kleiner als 1,1 eV eingestellt wird.
8. Verfahren zur Herstellung einer Einzelphotonenquelle (100), insbesondere nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
-dass eine Kavität (260) mit einer oder mehreren longitudi- nalen Resonanzfrequenzen (265, 265' , 265' ' ) hergestellt wird, wobei innerhalb der Kavität mehrere Quantenpunkte (160) angeordnet werden, die während des Betriebs der Ein- zelphotonenquelle Photonen (180) mit jeweils einer eigenen
Emissionsfrequenz generieren,
-dass eine Ladungsträgerinjektionseinrichtung (130) derart hergestellt und angeordnet wird, dass diese während des Betriebs der Einzelphotonenquelle Ladungsträger in den Be- reich der Kavität injiziert und die Quantenpunkte (160') zum Generieren der Photonen anregt, und
-dass die Flächendichte der Quantenpunkte (160') so gering und die Streuung bezüglich Größe und Materialzusammensetzung der Quantenpunkte (160') so groß gewählt wird, dass während des Betriebs der Einzelphotonenquelle ausschließlich die Emissionsfrequenz eines einzigen Quantenpunkts einer der longitudinalen Resonanzfrequenzen der Kavität entspricht und aus der Kavität ausgekoppelt werden kann.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität (260) derart dimensioniert wird, dass die zur Auskopplung der Photonen (180) verwendete longitudinale Ei- genfrequenz (265) der Kavität der Emissionsfrequenz desjeni¬ gen Quantenpunkts entspricht, der von allen angeregten Quan¬ tenpunkten die kleinste Emissionsfrequenz aufweist.
10. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächendichte der Quantenpunkte (160) kleiner als 5xlO9 pro Quadratzentimeter gewählt wird.
11. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 8 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Streuung bezüglich Größe und Materialzusammensetzung der Quantenpunkte (160) so groß gewählt wird, dass die Emissionslinien der Quantenpunkte bei der Betriebstemperatur der Einzelphotonenquelle überlappungs- frei sind.
12. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 8 - 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strompfadbegrenzungsein- richtung (220) hergestellt wird, die den Fluss der injizier- ten Ladungsträger im Bereich der Kavität (260) derart bündelt, dass nur eine Teilgruppe (160' ) der vorhandenen Quantenpunkte innerhalb der Kavität angeregt wird.
13. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 8 - 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatureinstelleinrichtung hergestellt wird, mit der sich die Temperatur der Einzelphotonenquelle für deren Betrieb auf einen Temperaturwert absenken lässt, bei dem alle Emissionsspektren (275, 275')/ oder zumindest eines davon, der innerhalb der Kavität befind- liehen Quantenpunkte überschneidungsfrei sind.
14. Verfahren zur Herstellung einer Einzelphotonenquelle (100) , insbesondere nach einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, -dass eine Kavität (515) mit einer oder mehreren longitudi- nalen Resonanzfrequenzen (265) hergestellt wird, wobei min- destens eine Quantenpunktschicht innerhalb der Kavität an¬ geordnet wird,
- dass eine Anregeinrichtung (510) derart hergestellt und an¬ geordnet wird, dass diese während des Betriebs der Einzel- photonenquelle zumindest einen Quantenpunkt (520) zum Gene¬ rieren von Photonen (180) anregt, und
— dass an den längs zur Emissionsrichtung der Photonen verlaufenden Seitenwänden (540) der Kavität eine hochreflektierende Schicht (550) aufgebracht wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass als hochreflektierende Schicht (550) eine Metallschicht, insbesondere eine Goldschicht, aufgebracht wird.
16. Einzelphotonenquelle (100) zum Emittieren einzelner linear polarisierter Photonen (180) oder verschränkter Photonenpaare (180) , insbesondere zum Einsatz in der Quantenkrypto- grafie, mit —einem oder mehreren Quantenpunkten (160), die während des Betriebs der Einzelphotonenquelle Photonen mit jeweils einer Emissionsfrequenz generieren,
- einer Kavität (260) , innerhalb derer die Quantenpunkte angeordnet sind, wobei die Kavität eine oder mehrere longitu- dinale Resonanzfrequenzen (265, 265', 265'') aufweist, und —einer Ladungsträgerinjektionseinrichtung (130), die während des Betriebs der Einzelphotonenquelle in den Bereich der Kavität Ladungsträger injiziert und die Quantenpunkte zum Generieren der Photonen anregt,
— wobei während des Betriebs der Einzelphotonenquelle aus- schließlich Photonen eines einzigen Quantenpunkts (160') ausgekoppelt werden, nämlich die Photonen desjenigen Quantenpunkts, dessen Emissionsfrequenz einer der longitudina- len Resonanzfrequenzen (265) der Kavität entspricht.
17. Einzelphotonenquelle nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität (260) derart dimensioniert ist, dass die zur Auskopplung der Photonen (180) verwendete longi- tudinale Eigenfrequenz (265) der Kavität der Emissionsfre¬ quenz desjenigen Quantenpunkts entspricht, der von allen an¬ geregten Quantenpunkten die kleinste Emissionsfrequenz auf¬ weist .
18. Einzelphotonenquelle nach einem der voranstehenden Ansprüche 16 - 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelpho¬ tonenquelle eine Strompfadbegrenzungseinrichtung (220) auf¬ weist, die den Fluss der injizierten Ladungsträger im Bereich der Kavität bündelt.
19. Einzelphotonenquelle nach einem der voranstehenden An¬ sprüche 16 - 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelphotonenquelle eine Mehrzahl an Quantenpunkten (160) aufweist, die in einer vorgegebenen Flächendichte angeordnet sind und eine vorgegebene Streuung ihrer Eigenschaften aufweisen, wobei durch die Strompfadbegrenzungseinrichtung (220) ausschließlich eine Teilgruppe der Quantenpunkte (160') angeregt wird.
20. Einzelphotonenquelle nach einem der voranstehenden Ansprüche 16 - 19, dadurch gekennzeichnet, dass die angeregte Teilgruppe (160') der Quantenpunkte so klein und die vorgegebene Streuung der Eigenschaften der Quantenpunkte so groß ist, dass bei der Betriebstemperatur der Einzelphotonenquelle zumindest ein Emissionsspektrum oder alle Emissionsspektren der Quantenpunkte der Teilgruppe überschneidungsfrei sind.
21. Einzelphotonenquelle nach einem der voranstehenden An- sprüche 16 - 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächendichte der Quantenpunkte (160) kleiner 5xlO9 pro Quadratzentimeter ist.
22. Einzelphotonenquelle nach einem der voranstehenden An- Sprüche 16 - 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelphotonenquelle eine Temperatureinstelleinrichtung aufweist, die die Temperatur der Einzelphotonenquelle für den Betrieb der Einzelphotonenquelle auf einen vorgegebenen Betriebstempera- turwert absenkt, bei dem zumindest ein Emissionsspektrum, vorzugsweise alle Emissionsspektren, der innerhalb der Kavi- tät befindlichen Quantenpunkte überschneidungsfrei sind.
23. Einzelphotonenquelle zum Emittieren einzelner linear po¬ larisierter Photonen oder verschränkter Photonenpaare, insbesondere zum Einsatz in der Quantenkryptografie, mit -mindestens einem Quantenpunkt (520), der während des Be- triebs der Einzelphotonenquelle Photonen (180) mit einer Emissionsfrequenz generiert,
— einer Kavität (260) , innerhalb derer der mindestens eine Quantenpunkt angeordnet ist, mit einer Filtercharakteristik derart, das nur eine resonante Koppelung zwischen einem einzigen der Quantenpunkte und der Kavität erfolgt,
— einer Anregeinrichtung (510) , die während des Betriebs der Einzelphotonenquelle den mindestens einen Quantenpunkt (520) zum Generieren der Photonen anregt,
— wobei an den längs zur Emissionsrichtung der Photonen ver- laufenden Seitenwänden (540) der Kavität eine hochreflektierende Schicht (550) aufgebracht ist.
24. Einzelphotonenquelle nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die hochreflektierende Schicht (550) eine Me- tallschicht, insbesondere eine Goldschicht, ist.
25. Verfahren zum Ansteuern einer Einzelphotonenquelle (100), insbesondere einer Einzelphotonenquelle gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 16 - 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Einzelphotonenquelle (100) derart eingestellt wird, dass die Emissionsfrequenz desjenigen Quantenpunkts, der von allen angeregten Quantenpunkten (160' ) die kleinste Emissionsfrequenz aufweist, mit einer longitudinalen Eigenfrequenz (265) der Kavität der Einzelphotonenquelle (100) übereinstimmt.
26. Verfahren zum Ansteuern der Einzelphotonenquelle (100), insbesondere einer Einzelphotonenquelle gemäß einem der voranstehenden Ansprüche 23 - 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Emissionsspektrum der für die optische Anregung verwende- ten Anregeinrichtung (510) so eingestellt wird, dass das E- missionsspektrum energetisch oberhalb der Zustände des Quantenpunktes (520) liegt und außerdem in einem Bereich liegt, in dem die Kavität (515) transparent ist.
27. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung einer verschränkte Photonenpaare erzeugenden Einzelphotonenquelle (100) die Höhe (h) des mindestens einen Quantenpunkts auf einen Wert zwischen 0,3 nm und 0,9 nm eingestellt wird.
28. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung einer einzelne Photonen mit definierter Polarisation erzeugenden Einzelphotonenquelle (100) die Höhe (h) des mindestens einen Quanten- punkts auf einen Wert größer als 2 nm eingestellt wird.
29. Verfahren zum Herstellen einer Einzelphotonquelle (100) mit einem vorgegebenen Betriebsverhalten, wobei bei dem Verfahren das vorgegebene Betriebsverhalten der Einzelphotonen- quelle (100) durch gezieltes Einstellen der Verspannung mindestens eines Quantenpunktes (160', 520) festgelegt wird, indem der mindestens eine Quantenpunkt mit einer der einzustellenden Verspannung entsprechenden Quantenpunktgröße hergestellt wird.
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