1,721,193 research outputs found
Emission properties of high-β nanolasers with continuous gain media
No full textThe search for ever smaller and more efficient sources of coherent light motivated the development of lasers with dimensions on the nanoscale. These consist of dielectric or metallic cavity structures that confine light close or even below the diffraction limit and can be integrated into on-chip photonics which makes them interesting candidates for applications in quantum information and communication and integrated photonic circuits. While semiconductor quantum dots were much investigated as gain media for such lasers, recently also extended, two- dimensional gain media are considered. Semiconductor quantum wells are already employed in micro laser (e.g. VCSELs) on an industrial scale, and, improved fabrication techniques, have now been pushed to the nanoscale as well. Furthermore, new classes of atomically thin 2d layers of transition metal dichalcogenide (TMD) have emerged as an exciting candidate for optical applications due to their strong optical activity.
In this thesis we contribute to the field by developing and employing quantum-optical semiconductor laser models that give direct access to conventional laser characteristics as well as photon-correlation functions. Using equation of motion techniques and the cluster-expansion approximation we find that nanolasers with extended gain media operating close to the thresholdless regime have a distinctly different threshold behavior in comparison to quantum-dot-based nanolasers. These findings shed new light on the behavior of nanolaser in their transition from thermal to coherent emission. Furthermore we provide gain calculations for single layers of different TMD materials, that take into account many-body interaction leading to band structure renormalizations and dephasing processes. Together with a rate-equation theory that is adapted to account for the particular device geometry, we highlight prospects and limitations of TMD materials for applications in nanolasers. Finally we develop a quantum-optical semiconductor laser theory that we apply to the description of realistic quantum-well-based nanolasers. Together with experimental partners we unambiguously show the onset of lasing emission from different device types and create a comprehensive picture of the internal processes that define the dynamics of these devices
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Full text linkThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
Variations on the Author
Full text link“Variations on the Author” discusses two of Eduardo Coutinho’s recent films (Um Dia na Vida, from 2010, and Últimas Conversas, posthumously released in 2015) and their contribution to the general question of documentary authorship. The director’s filmography is characterized by a consistent yet self-effacing form of authorial self-inscription: Coutinho often features as an interviewer that rather than express opinions propels discourses; an interviewer that is good at listening. This mode of self-inscription characterizes him as an author who is not expressive but who is nonetheless markedly present on the screen. In Um Dia na Vida, however, Coutinho is completely absent form the image, while Últimas Conversas, on the contrary, includes a confessional prologue that moves the director from the margins to the center of his films. This article examines the ways in which these works stand out in the filmography of a director who offers new insights into the notion of cinematic authorship
Appropriate Similarity Measures for Author Cocitation Analysis
Full text linkWe provide a number of new insights into the methodological discussion about author cocitation analysis. We first argue that the use of the Pearson correlation for measuring the similarity between authors’ cocitation profiles is not very satisfactory. We then discuss what kind of similarity measures may be used as an alternative to the Pearson correlation. We consider three similarity measures in particular. One is the well-known cosine. The other two similarity measures have not been used before in the bibliometric literature. Finally, we show by means of an example that our findings have a high practical relevance.information science;Pearson correlation;cosine;similarity measure;author cocitation analysis
On-Chip-Faserkopplung von halbleiterbasierten Quantenlichtquellen durch mikrooptische Systeme
No full textHumanity is currently on the cusp of the second quantum revolution, which promises a disruptive increase in the capabilities of quantum technologies. Semiconductor quantum dot-based single-photon sources could be a key building block as they provide a reliable mechanism for the deterministic generation of single, indistinguishable and potentially entangled photons. Single photons are highly interesting as information carriers, as they can be used comparatively easily for the preparation, manipulation and transfer of quantum bits. Due to the no-cloning theorem, it is also fundamentally impossible to copy an unknown quantum state without altering its state. This opens up applications for single-photon sources in the field of quantum communication, which serves as a designated counterpart to the future threats posed by quantum computers to classical encryption algorithms.
The present work addresses several challenges to advance single-photon sources from pure laboratory prototypes to scalable commercial applications: The quantum light sources must be able to be seamlessly integrated into existing infrastructures. One necessary step is to overcome complex laboratory setups, for example by implementing a reliable on-chip connection of quantum light sources to single-mode fiber optic networks. This requires a technologically highly sophisticated, precise alignment of the fiber core in the submicrometer range at cryogenic temperatures to a single quantum emitter with nanoscopic dimensions. This work presents an innovative on-chip coupling technique that combines deterministic in situ low-temperature electron beam lithography with the capabilities of additive femtosecond laser pulse two-photon 3D printing. This makes it possible to miniaturize traditional macroscopic far-field coupling techniques to such an extent that the fiber coupling of a quantum dot is performed directly on the semiconductor chip. The result is a modular solution with high coupling efficiency. Through iterative optimization, the 3D-printed micro-optical on-chip system realized in this work achieves a coupling efficiency of up to 40 %.
Furthermore, it is shown that epitaxially grown quantum dots with extremely pure single-photon emission in the telecom O-band exhibit high-temperature stability up to 77 K, so that cooling can potentially be done with liquid nitrogen instead of the more resource-intensive liquid helium cooling. To better understand and optimize the overall system, comprehensive machine learning-based numerical simulations using the finite element method are performed, calculating very high overall efficiencies of up to 83 %.
In addition, the work deals with the precise control over the distribution of single photons. A hybrid interface between a quantum light source and a hot atomic cesium vapor allows a deterministic delay of single photons by up to 15 ns due to the light-matter interaction. The difficulty here is to couple the spectrally broad quantum dot emission with linewidths in the GHz range with the narrow-band atomic transitions in the MHz range, which is supported by comprehensive numerical simulations. Overall, the work thus contributes to the development and scalable implementation of fiber-based quantum light sources, especially for use in quantum communication networks.Die Menschheit steht derzeit an der Schwelle zur zweiten Quantenrevolution, die eine disruptive Steigerung der Leistungsfähigkeit von Quantentechnologien verspricht. Halbleiterquantenpunktbasierte Einzelphotonenquellen könnten dabei ein zentraler Baustein sein, da sie einen zuverlässigen Mechanismus zur deterministischen Erzeugung einzelner, ununterscheidbarer und potenziell verschränkter Photonen bieten. Einzelne Photonen sind höchst interessant als Informationsträger, da sie vergleichsweise einfach für die Präparation, Manipulation und Übertragung von Quantenbits genutzt werden können. Aufgrund des No-Cloning-Theorems ist es darüber hinaus grundsätzlich unmöglich, einen unbekannten Quantenzustand zu kopieren, ohne dessen Zustand zu verändern. Damit ergeben sich für Einzelphotonenquellen Anwendungsfälle im Bereich der Quantenkommunikation, die als designierter Gegenspieler zu den zukünftigen Bedrohungen durch Quantencomputer für klassische Verschlüsselungsalgorithmen dient.
Die vorliegende Arbeit adressiert mehrere Herausforderungen, um Einzelphotonenquellen von reinen Laborprototypen zu skalierbaren, kommerziellen Anwendungen weiterzuentwickeln: Die Quantenlichtquellen müssen nahtlos in bestehende Infrastrukturen integriert werden können. Ein notwendiger Schritt ist die Überwindung komplexer Laboraufbauten, beispielsweise durch die Realisierung einer zuverlässigen On-Chip-Anbindung von Quantenlichtquellen an Single-mode-Glasfasernetzwerke. Dafür ist eine technologisch höchst anspruchsvolle, präzise Ausrichtung des Faserkerns im Submikrometerbereich bei kryogenen Temperaturen auf einen einzelnen Quantenemitter mit nanoskopischer Ausdehnung notwendig. Die vorliegende Arbeit präsentiert eine innovative On-Chip-Koppeltechnik, die deterministische In-situ-Tieftemperatur-Elektronenstrahllithografie mit den Möglichkeiten des additiven Femtosekunden-Laserpuls-Zwei-Photonen-3D-Drucks kombiniert. Dadurch wird es ermöglicht, traditionelle makroskopische Fernfeldkopplungstechniken so weit zu miniaturisieren, dass die Faserkopplung eines Quantenpunktes direkt auf dem Halbleiterchip erfolgt. Das Ergebnis ist eine modulare Lösung mit hoher Koppeleffizienz. Durch iterative Optimierung erreicht das im Rahmen dieser Arbeit realisierte 3D-gedruckte mikrooptische On-Chip-System eine Kopplungseffizienz von bis zu 40 %.
Zudem wird gezeigt, dass epitaktisch gewachsene Quantenpunkte mit extrem reiner Einzelphotonenemission im Telekommunikations-O-Band eine hohe Temperaturstabilität bis hin zu 77 K aufweisen, sodass die Kühlung potenziell mit flüssigem Stickstoff anstelle der ressourcenintensiveren Kühlung mit flüssigem Helium erfolgen kann. Um das Gesamtsystem besser zu verstehen und zu optimieren, werden umfassende, auf maschinelles Lernen gestützte numerische Simulationen mit Hilfe der Methode der finiten Elemente durchgeführt, wobei sehr hohe Gesamtwirkungsgrade von bis zu 83 % errechnet werden.
Darüber hinaus beschäftigt sich die Arbeit mit der präzisen Kontrolle über die Verteilung einzelner Photonen. Eine hybride Schnittstelle zwischen einer Quantenlichtquelle und einem heißen atomaren Cäsium-Dampf ermöglicht eine deterministische Verzögerung einzelner Photonen um bis zu 15 ns aufgrund der Licht-Materie-Wechselwirkung. Die Schwierigkeit besteht dabei darin, die spektral breite Quantenpunktemission mit Linienbreiten im GHz-Bereich mit den schmalbandigen atomaren Übergängen im MHz-Bereich zu koppeln, was durch umfassende numerische Simulationen unterstützt wird. Insgesamt trägt die Arbeit damit zur Entwicklung und skalierbaren Implementierung faserbasierter Quantenlichtquellen insbesondere für die Anwendung in Quantenkommunikationsnetzwerken bei
Deterministisch erzeugte, quantenpunktbasierte Einzelphotonenlichtquellen für Quanteninformationstechnologien
No full textFirst experimental demonstrations proved the potential of quantum information technologies, which in many cases choose the polarization characteristics of single photons to process and transport quantum states. The security of such systems crucially relies on the availability of on-demand single-photon sources. Semiconductor quantum dots demonstrate to be excellent sources of quantum light, which in the scope of this work are integrated into microlenses, using a deterministic processing technique. To create efficient plug-and-play sources based on this concept, several further steps need to be taken. This work presents means to increase the photon-extraction efficiency of quantum dot based microstructures, a method to achieve a tunability of the emission wavelength by strain transfer and introduces a fiber-coupling approach.
The quantum dots are chosen by their cathodoluminescence signal and precisely integrated into microstructures with a high yield, using a method called in-situ electron-beam lithography. By a combination of a backside mirror with a mesa or lens with an adjusted geometry, an increased photon-extraction efficiency can be achieved as compared to bulk structures. Optimum design parameters are found by the use of finite-element simulations. Depending on the numerical aperture of the collection optics, theoretically extraction efficiencies of up to 80 % can be achieved into a numerical aperture of 1.0. By development and application of a thermocompression gold-bonding step, quantum dot microstructures are combined with a backside gold mirror to create sources with measured efficiencies of up to (20 ± 2) %. The same bonding technique can be used to mount a quantum dot sample onto a piezoelectric actuator, which allows for a strain transfer to the emitter. In that way, the emission wavelength of a quantum dot microlens can be altered by 1.7 nm using an externally applied voltage.
To further enhance the collected amount of the quantum dot luminescence, microobjectives written by two-photon direct laser writing can be combined with quantum dot microlenses. In that way, a photon-extraction efficiency of (40 ± 4) % is achieved while increasing the excitation efficiency by around one order of magnitude. Finally, a direct coupling of the emission into a single-mode fiber is presented by the use of a combination of microobjectives and a fiber mount created by direct laser writing. In future experiments such fiber-coupled samples could be combined with electrical contacts to create a stand-alone single-photon source which solely relies on an external power supply.
This thesis gives a thorough introduction to the required methods for the fabrication of quantum dot based microstructures, presents a theoretical evaluation of the design concepts and demonstrates improvements and new features, which show that quantum dot microlenses serve as tunable and efficient sources of single-photons or entangled photon pairs for quantum information applications.Das große Potential der Quanteninformationstechnologie kann bereits durch erste experimentelle Realisierungen demonstriert werden, welche zumeist die Polarisationseigenschaften einzelner Photonen für die Verarbeitung und Übertragung von Quantenzuständen verwenden. Die Datensicherheit solcher Systeme basiert entscheidend auf der Verfügbarkeit von triggerbaren Einzelphotonenquellen. Als exzellente Quantenlichtquellen haben sich Halbleiter-Quantenpunkte erwiesen, die im Rahmen der vorliegenden Arbeit unter Verwendung einer deterministischen Prozessierungstechnologie in Mikrolinsen integriert werden. Um auf Basis dieses Konzepts effiziente und marktfähige Quellen herstellen zu können, müssen noch weitere Entwicklungsschritte für den praktischen Einsatz erreicht werden. Diese Arbeit zeigt Möglichkeiten zur Erhöhung der Photonen-Auskopplungseffizienz Quantenpunkt-basierter Mikrostrukturen, eine Methode zur Feinjustierung der Emissions-Wellenlänge durch Verspannungseintrag, sowie einen Ansatz zur Faserkopplung der Emission. Unter Verwendung der sogenannten in-situ Elektronenstrahllithographie werden die Quantenpunkte anhand ihrer Kathodolumineszenz ausgewählt und mit hoher Positioniergenauigkeit und Prozessausbeute in Mikrostrukturen integriert. Im Vergleich zu Emittern im einfachen planaren Halbleiter kann durch eine Kombination aus rückseitigem Spiegel und einer Mesa oder Linse mit angepasster Geometrie eine deutliche Erhöhung der Auskopplungseffizienz erreicht werden. Mithilfe von Simulationen basierend auf der Finite-Elemente-Methode können optimale Designparameter für diese Strukturen gefunden werden.
Abhängig von der numerischen Apertur (NA) der Sammeloptik lassen sich theoretisch Auskopplungseffizienzen von bis zu 80 % bei einer NA von 1,0 ermöglichen. Durch Entwicklung und Anwendung eines Goldbonding-Schritts mittels Thermokompression werden Quantenpunkt-Mikrostrukturen mit einem rückseitigen Goldspiegel versehen, sodass Quantenlichtquellen mit einer gemessenen Effizienz von bis zu (20 ± 2) % bei einer NA von 0,4 realisiert werden. Die gleiche Bond-Technik kann verwendet werden, um eine Quantenpunktprobe mit einem piezoelektrischen Aktuator zu verbinden, sodass ein direkter Verspannungsübertrag auf den Emitter erfolgen kann. Hierdurch wird die Emissionswellenlänge einer Quantenpunkt-Mikrolinse kontrolliert über eine extern angelegte Spannung um 1,7 nm verstimmt.
Um die Effizienz, mit der die Quantenpunkt-Emission eingesammelt wird, weiter zu erhöhen, werden Mikroobjektive mithilfe des Zwei-Photonen Laserstrahlschreibens mit Quantenpunkt-Mikrolinsen kombiniert. Hierdurch kann eine Auskopplungseffizienz von (40 ± 4) % bei gleichzeitiger Erhöhung der Anregungseffizienz um etwa eine Größenordnung erreicht werden. Darüber hinaus wird ein Ansatz zur direkten Kopplung der Emission einer Quantenpunkt-Mikrolinse in eine Single-Mode Glasfaser präsentiert. In Kombination mit einer elektrischen Kontaktierung der Struktur kann dies in zukünftigen Experimenten die Verwendung der Quantenpunkt-Mikrolinsen als Quelle einer „stand-alone“ Einzelphotonenlichtquelle ermöglichen, die zum Betrieb lediglich eine externe Stromzufuhr benötigt.
Die vorliegende Arbeit gibt eine detaillierte Einführung in die benötigten Methoden für die Herstellung von Quantenpunkt-basierten Mikrostrukturen, zeigt eine theoretische Evaluierung des verwendeten Design-Konzepts und präsentiert Verbesserungen und Erweiterungen auf dem Weg zu einer marktfähigen Einzelphotonenquelle. Im Rahmen der Arbeit kann so gezeigt werden, dass deterministisch hergestellte Quantenpunkt-Mikrolinsen sehr gut als spektral durchstimmbare und effiziente Quellen für einzelne Photonen oder verschränkte Photonenpaare für Anwendungen in der Quanteninformationstechnologie geeignet sind
Dispelling the Myths Behind First-author Citation Counts
Full text linkWe conducted a full-scale evaluative citation analysis study of scholars in the XML research field to explore just how different from each other author rankings resulting from different citation counting methods actually are, and to demonstrate the capability of emerging data and tools on the Web in supporting more realistic citation counting methods. Our results contest some common arguments for the continued
use of first-author citation counts in the evaluation of scholars, such as high correlations between author rankings by first-author citation counts and other citation
counting methods, and high costs of using more realistic citation counting methods that are not well-supported by the ISI databases. It is argued that increasingly available digital full text research papers make it possible for citation analysis studies to go beyond what the ISI databases have directly supported and to employ more
sophisticated methods
Optische Injektion von Quantenpunkt-Mikrosäulen-Lasern mit hohem β-Faktor
No full textThe huge progress in laser miniaturization opens new fields of research at the crossroads between nanophotonics and nonlinear dynamics. Cavity-enhanced microcavities exhibit lasing close to the quantum regime and are excellent testbeds for exploring nonlinear dynamics at the low-power limit by optical injection. Quantum dot micropillar lasers exhibit a bimodal behavior that features intrinsic dynamics and intriguing photon statistics. In the present thesis, the photon number distribution of two qualitatively different types of microlasers is investigated and injection locking of quantum dot micropillar lasers is explored.
The photon statistics is an important measure for the evidence of lasing in high-β microlasers operating at sub-μW light powers. Utilizing the outstanding photon detection capabilities of transition-edge sensors, the full photon number distribution of microlaser is measured for the first time to obtain profound insight into the emission dynamics of these nanophotonic devices. For bimodal quantum dot micropillar laser, two cases are distinguished. In the first case of a stable microlaser, one polarization mode undergoes a transition from thermal emission below threshold to a lasing state above threshold. Meanwhile, the other polarization mode transfers to a non-lasing thermal state. In the second case of a bistable quantum dot micropillar, both polarization modes have the potential to reach the lasing regime and the photon number distribution exhibits a superposition of a thermal and a coherent distribution in a single measurement. This behavior was inaccessible with common experimental techniques and is revealed by the photon number distribution.
The second type of microlaser under investigation is an exciton-polariton laser which is based on stimulated scattering and Bose-Einstein condensation of quasi-particles and not on population inversion as it is required for conventional photon lasers. The transition to lasing is investigated by means of the photon number distribution. The photon statistics exhibits a coherence buildup well described by thermal-coherent states. Slight deviations from the model can serve as the starting point for the examination with competing theories.
In the following experiments, quantum dot micropillar lasers are subject to optical injection. A single-mode microlaser reveals locking to the master laser. However, at the boundaries, the microlaser discloses a ’partial locking’ to the master laser which is a novel effect of the enhanced spontaneous emission. Optical injection into the non-lasing mode pushes this mode to lasing. Moreover, optical injection causes stochastic mode switching between the modes, depending on their relative strength and spectral detuning.
In summary, measurements of the photon statistics and optical injection experiments reveal new dynamics of microlasers and yield deeper insights into their physics. The results of this thesis have high potential to pave the way for the control of dynamics close to the quantum regime which is crucial for future applications, e.g. in photonic reservoir computing.Der enorme Fortschritt in der Laserminiaturisierung eröffnet neue Forschungsansätze im Spannungsfeld zwischen Nanophotonik und nichtlinearer Dynamik. Resonatorverstärkte Mikrokavitäten führen zu Laseremission nahe des Quantenregimes und eignen sich daher hervorragend als Versuchsobjekte, um durch optische Injektion an der unteren Leistungsgrenze die nichtlineare Dynamik zu erforschen. Quantenpunkt-Mikrosäulen-Laser zeigen ein bimodales Verhalten, welches sich durch intrinsische Dynamik und faszinierende Photonenstatistiken auszeichnet. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Photonenzahlverteilung zweier qualitativ unterschiedlicher Typen von Mikrolasern und optische Injektion von Quantenpunkt-Mikrosäulen-Lasern untersucht.
Die Photonenstatistik ist ein wichtiges Maß für den Nachweis von Laseremission in Mikrolasern mit einem hohem β-Faktor, welche mit Leistungen unterhalb des μW-Regimes arbeiten. Unter Ausnutzung der hervorragenden Photonendetektionseigenschaften von supraleitenden Phasenübergangsthermometern (Transition-Edge Sensors) wird die vollständige Photonenzahlverteilung von Mikrolasern zum ersten Mal gemessen. Dadurch ergibt sich ein tieferer Einblick in die Emissionsdynamik von Mikrolasern. Im Zusammenhang mit bimodalen Quantenpunkt-Mikrosäulen-Lasern werden zwei Fälle unterschieden. Im ersten Fall eines stabilen Mikrolasers geht die eine Polarisationsmode von einer thermischen Emission unterhalb der Laserschwelle in einen lasenden Zustand oberhalb der Laserschwelle über. Währenddessen geht die andere Polarisationsmode in einen nicht-lasenden Zustand über. Im zweiten Fall eines bistabilen Quantenpunkt-Mikrosäulen-Lasers können beide Polarisationsmoden das Laserregime erreichen und die Photonenzahlverteilung zeigt eine Überlagerung einer thermischen und einer kohärenten Verteilung in einer Einzelmessung. Dieses Verhalten war unzugänglich mit üblichen experimentellen Techniken und wurde durch die mittels eines supraleitenden Phasenübergangsthermometers gemessene Photonenzahlverteilung aufgedeckt.
Der zweite hier untersuchte Mikrolasertyp ist ein Exziton-Polariton-Laser. Dieser beruht auf stimulierter Streuung und Bose-Einstein-Kondensation von Quasiteilchen und steht damit im Gegensatz zu einem herkömmlichen Photonenlaser, welcher auf Besetzungsinversion basiert. Der Übergang zu Lasing wird anhand der Photonenzahlverteilung untersucht. Die Photonenstatistik zeigt einen durch thermisch-kohärente Mischzustände gut beschriebenen Kohärenzaufbau. Geringe Abweichungen vom Modell können als Ausgangspunkt für die Überprüfung konkurrierender Theorien dienen.
In den folgenden Experimenten werden Quantenpunkt-Mikrosäulen-Laser optisch injiziert. Dabei zeigt sich eine Phasen- und Frequenzangleichung eines Einzelmoden-Mikrolasers an den Master-Laser. An den Grenzen offenbart der Mikrolaser jedoch eine "teilweise Angleichung" an den Master-Laser. Letzteres stellt einen neuartigen Effekt, hervorgerufen durch die verstärkten spontanen Emission dar. Die optische Injektion treibt die nichtlasende Mode in einen lasenden Zustand. Darüber hinaus bewirkt die optische Injektion eine stochastische Umschaltung zwischen den Moden in Abhängigkeit von ihrer relativen Stärke und der spektralen Verstimmung.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Messungen der Photonenstatistik und Experimente zur optischen Injektion neue Dynamiken von Mikrolasern aufzeigen und tiefere Einblicke in ihre Physik geben. Die Ergebnisse dieser Dissertation weisen ein hohes Potential auf, den Weg für die Kontrolle der Dynamik von Mikrolasern nahe des Quantenregimes zu ebnen. Dies ist für zukünftige Anwendungen, wie beispielsweise im Reservoir Computing, von entscheidender Bedeutung.EC/FP7/615613/EU/External Quantum Control of Photonic Semiconductor Nanostructures/EXQUISIT
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