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2013-04-08Dissertation DOI: 10.18452/16723
Integrated photonic systems for single photon generation and quantum applications
dc.contributor.authorSchröder, Tim
dc.date.accessioned2017-06-18T12:15:03Z
dc.date.available2017-06-18T12:15:03Z
dc.date.created2013-04-25
dc.date.issued2013-04-08
dc.identifier.urihttp://edoc.hu-berlin.de/18452/17375
dc.description.abstractIm Rahmen der vorliegenden Dissertation wurden neuartige integrierte Einzelphotonenquellen (EPQ) und ihre Anwendung für die Quanteninformationsverarbeitung entwickelt und untersucht. Die Erzeugung von Einzelphotonen basiert auf einzelnen Defektzentren in nanometergroßen Diamantkristallen mit einzigartigen optischen Eigenschaften: Stabilität bei Zimmertemperatur ohne optisches Blinken. Diamantkristalle mit Größen bis unter 20nm wurden mit neuartigen „pick-and-place“ Techniken (z.B. mit einem Atomkraftmikroskop) in komplexe photonische Strukturen integriert. Zwei unterschiedliche Ansätze für die Realisierung der neuartigen EPQ wurden verfolgt. Beim ersten werden fluoreszierende Diamantkristalle in nano- und mikrometergroße Faser-basierte oder resonante Strukturen in einem „bottom-up“ Ansatz integriert, dadurch werden zusätzliche optische Komponenten überflüssig und das Gesamtsystem ultra-stabil und wartungsfrei. Der zweite Ansatz beruht auf einem Festkörperimmersionsmikroskop (FIM). Seine Festkörperimmersionslinse wirkt wie eine dielektrische Antenne für die Emission der Defektzentren. Es ermöglicht die höchsten bisher erreichten Photonenzählraten von Stickstoff-Fehlstellen von bis zu 2.4Mcts/s und Einsammeleffizienzen von bis zu 4.2%. Durch Anwendung des FIM bei cryogenen Temperaturen wurden neuartige Anwendungen und fundamentale Untersuchungen möglich, weil Photonenraten signifikant erhöht wurden. Die Bestimmung der spektralen Diffusionszeit eines einzelnen Defektzentrums (2.2µs) gab neue Erkenntnisse über die Ursachen von spektraler Diffusion. Spektrale Diffusion ist eine limitierende Eigenschaft für die Realisierung von Quanteninformationsanwendungen. Das Tisch-basierte FIM wurde außerdem als kompakte mobile EPQ mit Ausmaßen von nur 7x19x23cm^3 realisiert. Es wurde für ein Quantenkryptographie-Experiment implementiert, zum ersten Mal mit Siliziumdefektzentren. Des Weiteren wurde ein neues Konzept für die Erzeugung von infraroten EPQ entwickelt und realisiert.ger
dc.description.abstractThe presented thesis covers the development and investigation of novel integrated single photon (SP) sources and their application for quantum information schemes. SP generation was based on single defect centers in diamond nanocrystals. Such defect centers offer unique optical properties as they are room temperature stable, non-blinking, and do not photo-bleach over time. The fluorescent nanocrystals are mechanically stable, their size down to 20nm enabled the development of novel nano-manipulation pick-and-place techniques, e.g., with an atomic force microscope, for integration into photonic structures. Two different approaches were pursued to realize novel SP sources. First, fluorescent diamond nanocrystals were integrated into nano- and micrometer scaled fiber devices and resonators, making them ultra-stable and maintenance free. Secondly, a solid immersion microscope (SIM) was developed. Its solid immersion lens acts as a dielectric antenna for the emission of defect centers, enabling the highest photon rates of up to 2.4Mcts/s and collection efficiencies of up to 4.2% from nitrogen vacancy defect centers achieved to date. Implementation of the SIM at cryogenic temperatures enabled novel applications and fundamental investigations due to increased photon rates. The determination of the spectral diffusion time of a single nitrogen vacancy defect center (2.2µs) gave new insights about the mechanisms causing spectral diffusion. Spectral diffusion is a limiting property for quantum information applications. The table-top SIM was integrated into a compact mobile SP system with dimension of only 7x19x23cm^3 while still maintaining record-high stable SP rates. This makes it interesting for various SP applications. First, a quantum key distribution scheme based on the BB84 protocol was implemented, for the first time also with silicon vacancy defect centers. Secondly, a conceptually novel scheme for the generation of infrared SPs was introduced and realized.eng
dc.language.isoeng
dc.publisherHumboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I
dc.rightsNamensnennung - Keine kommerzielle Nutzung - Weitergabe unter gleichen Bedingungen
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/de/
dc.subjectDiamantger
dc.subjectQuantensensorger
dc.subjectEinzelphotonger
dc.subjectRaumtemperaturger
dc.subjectEinzelphotonenquelleger
dc.subjectFaserkopplungger
dc.subjectNahfeldkopplungger
dc.subjectFasereinzelphotonenquelleger
dc.subjectStickstoff-Fehlstelleger
dc.subjectSilizium-Fehlstelleger
dc.subjectDefektzentrumger
dc.subjectFarbzentrumger
dc.subjectNanodiamantger
dc.subjectQKDger
dc.subjectPhotonenkonversionger
dc.subjectspektrale Diffusionger
dc.subjectInterferometrische Messungger
dc.subjectQuanten-Optikger
dc.subjectNano-Optikger
dc.subjectPhotonikger
dc.subjectdiamondeng
dc.subjectquantum sensoreng
dc.subjectsingle photoneng
dc.subjectroom temperatureeng
dc.subjectsingle photon sourceeng
dc.subjectfiber couplingeng
dc.subjectnearfield couplingeng
dc.subjectfiber single photon sourceeng
dc.subjectnitrogen vacancyeng
dc.subjectsilicon vacancyeng
dc.subjectdefect centereng
dc.subjectcolor centereng
dc.subjectnanodiamondeng
dc.subjectquantum key distributioneng
dc.subjectphoton conversioneng
dc.subjectspectral diffusioneng
dc.subjectinterferometric measurementeng
dc.subjectquantum opticseng
dc.subjectnano opticseng
dc.subjectphotoniceng
dc.subject.ddc530 Physik
dc.titleIntegrated photonic systems for single photon generation and quantum applications
dc.typedoctoralThesis
dc.subtitleassembly of fluorescent diamond nanocrystals by novel nano-manipulation techniques
dc.identifier.urnurn:nbn:de:kobv:11-100209126
dc.identifier.doihttp://dx.doi.org/10.18452/16723
dc.identifier.alephidBV040966900
dc.date.accepted2012-08-30
dc.contributor.refereeBenson, Oliver
dc.contributor.refereeFischer, Saskia F.
dc.contributor.refereeBecher, Christoph
dc.subject.dnb29 Physik, Astronomie
dc.subject.rvkUH 5870
dc.subject.rvkUO 6440
local.edoc.pages249
local.edoc.type-nameDissertation
local.edoc.institutionMathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I

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