LV 704103, SS 2018

Seminar mit Bachelorarbeit: Experimentalphysik

Themenauswahl aus dem Forschungsgebiet Photonik

Betreuung: Gregor Weihs (GW), Robert Keil (RK), Denis Karpov (DK), Mathias Sassermann (MS), Benedikt Pressl (BP)

 

B1 Resonante Anregung von Halbleiterquantenpunkten (GW)

 

Einzelne Halbleiterquantenpunkte verhalten sich wie künstliche Atome und besitzen diskrete Energieniveaus für Elektronen und Löcher. Damit können sie als Quellen einzelner Photonen fungieren. Für die Verwendung der einzelnen Photonen in der Quantenkommunikation müssen diese ununterscheidbar sein. In den letzten Jahren hat sich herausgestellt, dass gute Ununterscheidbarkeit praktisch nur durch resonante Anregung erreicht werden kann, welche aber für ein Festkörpersystem nur mit Schwierigkeiten erzielt werden kann. In der Bachelorarbeit soll das Phänomen der Resonanzfluoreszenz allgemein behandelt und dann die Anwendung auf Quantenpunkte genauer diskutiert werden.

B2 Quantenzustandstomographie (GW)

Reine Quantensysteme werden durch Wellenfunktionen beschrieben, für gemischte Zustände braucht man Dichtematritzen. In beiden Fällen kann ein unbekannter Quantenzustand nicht durch eine einzige Messung vollkommen bestimmt werden. An einem einzelnes Quantensystem bekommt man in einer Messung nur ein (zufälliges) Messergebnis. Mit vielen, identisch präparierten Systemen und Messungen in verschiedenen, komplementären Basen (deshalb "Tomographie") kann man genügend Information sammeln um die Dichtematrix des Systems zu bestimmen. Ungenauigkeiten und die Unsicherheit aufgrund der endlichen Menge an Messdaten führen dazu, dass die Rekonstruktion der Dichtematrix ein nichttriviales Problem ist. Sehr häufig erhält man mit einfachen Methoden unphysikalische Dichtematritzen. Andere Rekonstruktionsverfahren liefern zwar physikalische Dichtematritzen, führen aber zu systematischen Fehlern bei der Schätzung abgeleiteter Größen. In der Bachelorarbeit sollen mit einfachen selbst geschriebenen Programmen ein paar einfache Systeme anhand realer Messdaten untersucht werden.

B3 Photonenblockade (MS)

Durch Ausnutzen von Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie auf der Quantenebene ist es möglich eine Art “Filter” für einzelne Photonen zu bauen. Zum Beispiel ein Filter, der immer nur ein einzelnes Photon transmittiert, egal wieviel Licht einfällt. Dieser Effekt tritt in sogenannten nichtlinearen Kavitäten auf. Die Kavitäten sind mit einem Medium gefüllt, welches stark auf die Intensität des einfallenden Lichts reagiert und die Resonanz des Gesamtsystems intensitätsabhängig verschiebt (Kerr-Effekt). Im Fall der Photonenblockade reicht bereits ein einzelnes Photon aus um die (ursprüngliche) Transmissionsresonanz so weit zu verschieben, dass das nächste Photon (und alle weiteren) reflektiert wird. In dieser Arbeit sollen die verschiedenen Blockade-Mechanismen analysiert und verglichen werden, insbesondere anhand von Computersimulationen mit “QuantumOptics.jl”.

B4 Unconventional photon blockade (DK)

In the proposed bachelor project, the student will theoretically explore the generation of single photons based on the photon unconventional blockade mechanism, in which a photon-photon interaction blocks a second, identical photon from entering a cavity. Especially, Polariton (elementary optical excitations are half-matter, half-light quasiparticles) blockade mechanism in the focus of the bachelor thesis, in which a quantum well exciton is strongly coupled to a cavity photon. Processes in InAs/GaAs/AlGaAs that lead to the generation of quantum correlated light and in particular, single photons will be studied. The student will explore the advantages of microcavity polariton system as a platform for quantum light sources and quantum communication.

B5 Rekonstruktion linearer optischer Netzwerke (RK)

Sowohl für Aufgaben der klassischen Informationsübertragung und -verarbeitung als auch in der Quantenoptik spielen lineare optische Netzwerke eine herausragende Rolle. Typischerweise bestehen diese aus einer Kaskade elementarer Bausteine, wie z.B. Strahlteiler und Phasenschieber [1]. Deren Fabrikationstoleranzen und Justagefehler führen bei zunehmender Komplexität der Netzwerke jedoch zu immer weniger vorhersagbaren Abweichungen von den Zieleigenschaften, so dass man das System lieber als eine abstrakte Einheit mit diskreten Ein- und Ausgängen behandelt. Um nun das Verhalten des Systems zu charakterisieren müssen die Amplituden- und Phasenbeziehungen zwischen allen Ein- und Ausgängen durch Interferometrie gefunden werden.

Es existieren unterschiedliche Strategien, um aus den Interferometriedaten eine Beschreibung des gesamten Netzwerks und ggf. auch der zu Grunde liegenden Elemente zu erhalten [2-4]. In dieser Arbeit sollen die Grundlagen dieser Strategien erarbeitet und die Vor- und Nachteile der Rekonstruktionsmethoden miteinander verglichen werden.

B6 Optimierung integrierter optischer Elemente (BP)

Die Standardverfahren zur Herstellung integrierter Schaltkreise sind hochgenau und flexibel einsetzbar. So können nicht nur Elektronik, sondern auch optische Elemente auf einem Halbleiter integriert werden. Diese optischen Elemente können grob in „aktive“, wie z.B. elektrisch gepumpte Lichtquellen, und „passive“, wie z.B. spektrale Filter, die auf Interferenz und Beugung basieren, eingeteilt werden. Die Kombination soll die Entwicklung vollintegrierter Quellen verschränkter Photonen ermöglichen. Je nach Funktionalität werden allerdings oft große Flächen auf dem Chip beansprucht, was die Zahl der Komponenten auf einem einzelnen Chip stark begrenzt. Zudem müssen fabrikationsbedingte Abweichungen berücksichtigt werden.

In dieser Bachelorarbeit sollen verschiedene passive Elemente, wie spektrale Filter, Strahlteiler und Koppler diskutiert und für die von uns eingesetzten Halbleiter (Aluminiumgalliumarsenid) adaptiert werden. Für die grundlegende Konzeptionierung reichen einfache Abschätzungen (z.B. Fabry-Perot) aus [1,2], es soll jedoch auch moderne numerische Optimierungsverfahren [3,4] zur Reduktion des Flächenverbrauchs getestet werden (mittels bestehender Matlab-Bibliothek). 

  • A. Yariv and P. Yeh, Photonics, Oxford University Press, 2007
  • D. G. Rabus, Integrated Ring Resonators: The Compendium, Springer, 2007
  • A. Y. Piggott et al., Inverse design and demonstration of a compact and broadband on-chip wavelength demultiplexer, Nature Photonics 9, 374 (2015), http://doi.org/10.1038/nphoton.2015.69 
  • J. Lu and J. Vuckovic, Nanophotonic computational design, Optics Express 21, 13351 (2013), https://doi.org/10.1364/OE.21.013351