Nano Optics

Gruppen-Mitglieder

Gruppenleiter:	Mohamed Benyoucef
Doktoranden:	Özlem Urcan, Mohanad Alkaales, Miriam Gerstel, Muhammad Shaharukh, Ranbir Kaur, Andrei Kors, Patrick Krawiec, Muhammad Usman
Master- und Bachelorstudenten:	Birk Fritsch, Lucas Rickert, Adnan Sayyed, Andreas Körner, Arne Vereijken, Sudharsana Bhashyam Pillailokam

Zielsetzung

Die Forschungsgruppe konzentriert sich auf die Entwicklung von neuartigen und fortgeschrittenen Quantenarchitekturen, welche mittels Molekularstrahlepitaxie auf Si, GaAs (flach und vorstrukturierten) und InP-Substraten hergestellt werden und der Untersuchung ihrer spezifischen Aspekte der Quantenoptik. Zu erst Genanntes, die Integration von Quantenpunkten auf Silizium, gilt als eine der Schlüsseltechnologien, um die Vorteile beider Materialien zu kombinieren, und damit eine äußerst vielseitige Hybrid-Photonik-Plattform zu bilden, die dadurch den Weg der photonischen Integration im großen Maßstab eröffnet. Das Letztere könnte die Implementierung von effizienten Einzelphotonenquellen für die sichere Übertragung von Daten über große Distanzen erlauben.

Der Schwerpunkt liegt auf der Herstellung (Wachstum und Nanostrukturierung) und der Untersuchung der grundlegenden Strukturen sowie der optischen Eigenschaften von einzelnen Quanten-Nanoarchitekturen, der Integration von III-V-Halbleiterlichtquellen auf Silizium, der Herstellung und Charakterisierung von Mikrokavitäten (z.B., photonische Kristalle) in Kombination mit integrierten Quantenpunkten und der Bearbeitung von nanostrukturierten Oberflächen für optische Elemente.

Außerdem werden wir uns im Rahmen des LOEWE-Schwerpunkts mit einem neuen Forschungsfeld zu festkörperbasierten molekularen Quantensystemen für die Quantencomputeranwendung beschäftigen. Das LOEWE-Projekt "SMolBits" wird von einem interdisziplinären Team bearbeitet, das sich aus Mitgliedern des "Center of Interdisciplinary Nanostructure Science and Technology (CINSaT)" gebildet hat (Elektrotechnik, Chemie und Physik). In diesem Schwerpunkt sollen am Beispiel von Lanthanoid-Komplexen auf molekularer Ebene isolierte Quantensysteme auf verschiedenen Zugangsebenen grundlegend untersucht und Anwendungspotentiale in skalierbaren Festkörpersystemen ausgelotet werden. Wir sind verantwortlich für zwei zentrale Teilbereiche des Schwerpunkts (B3-Spekroskopie an immobilisierten Molekülen und C-Integration in Photonik-Chip).

Projekte

BMBF-Q.com
BMBF-Q.Link.X
BMBF-QR.X
DFG-DeLiCom
LOEWE- SMolBits

Forschungsaktivitäten

Epitaktisches Wachstum von Halbleiter-Nanostrukturen auf verschiedenen Substraten mittels MBE-Anlagen

Entwicklung von Einzelphotonenquellen im Bereich der Telekommunikationswellenlängen für die Quantenkommunikation über große Distanzen

Entwicklung von Quantenpunktemission im Telekombereich für die Spin-Speicherung
Integration einzelner InAs/GaAs Kern-Schale Quantenpunkte in Silizium
Verarbeitung von nanostrukturierten Oberflächen für die Realisierung von deterministischen optischen Elementen
Herstellung und Untersuchung von Mikroresonator Strukturen (z.B. Säulen Resonatoren, photonische Kristalle)
Studien zu strukturellen Eigenschaften von selbstorganisierten Quantenpunkten
Studien zu Licht-Materie-Wechselwirkungen auf Nanoskala von Festkörper Quantensystemen

InP-basierte Quantenpunkte:

(a) µ-PL spectrum from single InP-based quantum dot (QD). The inset shows the 2x2 µm2 2D AFM image of low density QDs. (b) Single-photon emission at telecom wavelengths from single InP-based QDs (in cooperation with Uni. Stuttgart). (c) Coherent properties of single InP-based

Literatur:

A. Musiał, M. Mikulicz,. Mrowinski, A. Zielinska, P. Sitarek, P. Wyborski, M. Kuniej, J. P. Reithmaier, G. Sek, and M. Benyoucef, InP-based single-photon sources operating at telecom C-band with increased extraction efficiency, Appl. Phys. Lett. 118, 221101 (2021)
P. Holewa, A. Maryński, M. Gawełczyk, P. Wyborski, J. Andrzejewski, J. P. Reithmaier, G. Sęk, M. Benyoucef, and M. Syperek, Optical properties of InAs/InAlGaAs/InP(001) quantum dots grown by ripening process in molecular beam epitaxy, Phys. Rev. Applied 14, 064054 (2020)
A. Musiał, P. Holewa, P. Wyborski, M. Syperek, A. Kors, J. P. Reithmaier, G. Sęk and M. Benyoucef, "High-purity telecom wavelength triggered single-photon emission from symmetric single InAs/InP quantum dots"
Adv. Quantum Technol. 2,1900082 (2020)
A. Kors, J. P. Reithmaier, M. Benyoucef, "Telecom wavelength single quantum dots with very small excitonic fine-structure splitting", Appl. Phys. Lett. 112, 172102 (2018)
S.Gordon, M. Yacob, J. P. Reithmaier, M. Benyoucef, A. Zrenner, “Coherent photocurrent spectroscopy of single InP-based quantum dots in the telecom-band at 1.5 μm”, Appl. Phys. B(2016), DOI 10.1007/s00340-015-6279-6

V. V. Belykh, A. Greilich, D. R. Yakovlev, M. Yacob, J. P. Reithmaier, M. Benyoucef, and M. Bayer, “Electron and hole g- factors in InAs/InAlGaAs self-assembled quantum dots emitting at telecom wavelengths”, Phys. Rev. B 92, 165307 (2015)

M. Yacob, J.P. Reithmaier and M. Benyoucef, "Low-density InP-based quantum dots emitting around the 1.5 µm telecom wavelength range", Appl. Phys. Lett. 104, 022113 (2014)

M. Benyoucef, M. Yacob, J.P. Reithmaier, J. Kettler, P. Michler, "Telecom-wavelength (1.5 µm) single-photon emission from InP-based quantum dots", Appl. Phys. Lett. 103, 162101 (2013)

InP-basierte Photonische Kristallstrukturen:

(a) μ-PL-Spektren des L3 photonischen Kristallen (PK) Mikroresonator bei 10 K (rote Linie) und 300 K (schwarze Linie) mit einer Laseranregungsleistung von 70 μW. (b) μ-PL-Spektren des L3 PK Mikroresonator: schwarze Linie ohne Polarisation, rote Linie mit horizontaler Polarisation und blaue Linie mit vertikaler Polarisation. Einsätze: SEM-Bild des L3 PK Mikroresonator. (c) μ-PL-Spektren eines einzigen QPktes bei drei verschiedenen Laserleistungen aufgenommen, zeigt exzitonische (X) und biexzitonische (XX) Emissionslinien. (d) X- und XX-PL-Intensitäten als Funktion der Laseranregungsleistung. Die gepunkteten und gestrichelten Linien passen sich einer Steigung von 0,8 und 1,7 an. (e) X und XX Übergänge aufgezeichnet bei 0° (rot) und 90° (schwarz) Polarisationswinkel, zeigt verschwindende Feinstrukturaufspaltung.

Literatur:

L. Rickert, B. Fritsch, A. Kors, J. P. Reithmaier and M. Benyoucef, "Mode properties of InP-based high Q/V L4/3 photonic crystal cavities for telecom wavelengths", Nanotechnology31, 315703 (2020)
L. Rickert, J. P. Reithmaier and M. Benyoucef, Telecom wavelengths from InP-based L3 photonic crystal cavities with optimized out-coupling properties, AIP Conference Proceedings 2241, 020004 (2020)
A. Kors, K. Fucks, M. Yacob, J. P. Reithmaier and M. Benyoucef, “Telecom wavelength emitting single quantum dots coupled to InP-based photonic crystal microcavities", Appl. Phys. Lett.110, 031101 (2017)

Silizium-basierte Qauntenpunkte:

Links: InAs QP eingebettet in einer Siliziummatrix (in Kooperation mit PDI Berlin). Rechts: Lichtemission von einzelnen InAs/GaAs Kern-Schale QP direkt auf Silizium aufgewachsen.

Literatur:

M. Benyoucef, T. Alzoubi, J.P. Reithmaier, M. Wu, A. Trampert, "Nanostructured hybrid material based on highly mismatched III-V nanocrystals fully embedded in silicon", Phys. Stat. Sol. A 211, 817 (2014)
M. Benyoucef, M. Usman, J.P. Reithmaier, "Bright light emissions with narrow spectral linewidth from single InAs/GaAs quantum dots directly grown on silicon substrates", Appl. Phys. Lett.102, 132101 (2013)
M. Benyoucef, J.P. Reithmaier, "Direct growth of III-V quantum dots on silicon substrates: structural and optical properties", Semicond. Sci. Technol. 28, 094004 (2013) (invited)
M. Benyoucef, H-S. Lee, J. Gabel, T. W. Kim, H. L. Park, A. Rastelli and O. G. Schmidt, "Wavelength tunable triggered single-photon source from a single CdTe quantum dot on silicon substrate", Nano Letters 9, 304 (2009)

GaAs-basierte Quantenpunkte:

(a & b) Einzelphotonemission und X Lebensdauer von einzelnen QP aufgewachsen mittels Droplet-Epitaxie (in Kooperation mit HU Berlin).(c) Qualitätsfaktorerhöhung in gekoppelten Resonatoren (in Kooperation mit der Uni. Magdeburg und IFW Dresden).

Literatur:

M. Benyoucef, V. Zuerbig, J.P. Reithmaier, T. Kroh, A.W. Schnell, T. Aichele, O. Benson, "Single-photon emission from single InGaAs/GaAs quantum dots grown by droplet epitaxy at high substrates temperature", Nanoscale Research Letters 7, 493 (2012)
M. Benyoucef, J.-B. Shim, J. Wiersig, O.G.Schmidt, ''Quality-factor enhancement of supermodes in coupled microdisks", Opt. Lett. 36, 1317 (2011)
M. Pfeiffer, K. Lindfors, C. Wolpert, P. Atkinson, M. Benyoucef, A. Rastelli, O. G. Schmidt, H. Giessen, M. Lippitz, "Enhancing the optical excitation efficiency of a single self-assembled quantum dot with a plasmonic nanoantenna", Nano Letters 10, 4555 (2010)
F. Ding, R. Singh, J. D. Plumhof, T. Zander, V. Křápek, Y. H. Chen, M. Benyoucef, V. Zwiller, K. Dörr, G. Bester, A. Rastelli, O. G. Schmidt, “Tuning the exciton binding energies in single self-assembled InGaAs/GaAs quantum dots by piezoelectric-induced biaxial stress”, Phys. Rev. Lett. 104, 067405 (2010)
M. Benyoucef, L. Wang, A. Rastelli, O. G. Schmidt, "Toward quantum interference of photons from independent quantum dots", Appl. Phys. Lett. 95, 261908 (2009)

Räumlich-kontrollierte Quantenpunkte auf vorstrukturierten GaAs und Silizium Substraten:

Links: Räumliche-kontrollierte QP auf GaAs Substraten. Rechts: III-V Nanostrukturen lokalisiert in vorstrukturierten Silizium Nanolöchern.

Literatur:

M. Usman, J. P. Reithmaier, and M. Benyoucef, “Site-controlled growth of GaAs nanoislands on pre-patterned silicon substrates” Phys. Stat. Sol. A 212, 443 (2015)
M. Benyoucef, M. Usman, T. Al-Zoubi, J.P. Reithmaier, "Pre-patterned silicon substrates for the growth of III-V nanostructures", Phys. Stat. Sol. A 209, 2402 (2012) (invited)
P. Atkinson, S. Kiravittaya, M. Benyoucef, A. Rastelli and O.G. Schmidt, "Site-controlled growth and luminescence of InAs quantum dots using in situ Ga-assisted deoxidation of patterned substrates", Appl. Phys Lett. 93, 101908 (2008)