Ultraschnelle Optoelektronik mit einzelnen Quantenpunkten
Creators: name: Krehs, Sebastian
Publisher: name: Universität Paderborn
Year: 2022

description: Originäres Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuen Methode für das zeitliche Abtasten ultraschneller elektrischer Signale. Als Sensor soll dabei eine niederkapazitive Einzelquantenpunkt-Photodiode eingesetzt werden, wobei durch den Stark-Effekt ein zeit-abhängiges elektrisches Signal in eine zeitabhängige Verstimmung der Übergangsenergie des Quantenpunkt-Exzitons umgewandelt wird. Diese Verstimmung kann durch resonante ps-Laserspektroskopie und Detektion des generierten Photostroms vermessen werden. Zur Demonstration der Methode wird dann der zum Laser synchrone elektrische Ausgangspuls eines ultraschnellen CMOS-Schaltkreises abgetastet. Dabei können Anstiegszeiten von wenigen Pikosekunden mit einer Auflösung im mV-Bereich erfasst werden.In einem weiteren Schritt soll die Phasenkontrolle des Quantensystems durch kohärente optoelektronische Manipulation erfolgen. Dazu soll im Ramsey Experiment nach der Er-zeugung der kohärenten Superposition (erster Laserpuls) die Kontrolle der Phase rein elektrisch erfolgen. . Das Auslesen basiert auf der Quanteninterferenz (zweiter Laserpuls). Für die elektrische Manipulation des Exzitons soll eine BiCMOS-Schaltung mit Hetero-Bipolar-Endstufe die-nen, welche Pulslängen unterhalb von 100 ps bei Amplituden im Bereich von einigen 10 mV generiert. Im Rahmen dieser Arbeit soll ferner das Ramsey-basierte Sampling zum Abtasten elektrischer Pulse validiert werden. Dabei wird das Phänomen der Quanteninterferenz ausgenutzt um höchste Spannungsauflösungen zu erreichen. Diese Erweiterung des optoelektronischen Samplings zum zeitlichen Abtasten elektrischer Pulse lässt im Vergleich eine bis zu 40-fach höhere Spannungsauflösung erwarten.
description: The original aim of this work is to develop a new method for temporal sampling of ultrafast electrical signals. A low-capacitance single-quantum dot photodiode is to be used as a sen-sor, where a time-dependent electrical signal is converted into a time-dependent detuning of the transition energy of the quantum dot exciton by the Stark effect. This detuning can be measured by resonant ps-laser spectroscopy and detection of the generated photocur-rent. To demonstrate the method, the electrical output pulse of an ultrafast CMOS circuit synchronous to the laser is then sampled. Rise times of a few picoseconds can be sampled with a resolution in the mV range.In a further step, phase control of the quantum system will be achieved by coherent optoelectronic manipulation. For this purpose, in the Ramsey experiment, after the generation of the coherent superposition (first laser pulse), the phase control is realized purely electrical. The readout is based on quantum interference (second laser pulse). A BiCMOS circuit with hetero-bipolar output stage will serve for the electrical manipulation, generating pulse lengths below 100 ps at amplitudes in the range of a few 10 mV.This work will also validate Ramsey-based sampling for the chracterization of electrical pulses. The phenomenon of quantum interference is exploited to achieve highest voltage resolutions. Compared to the first presented methodology for temporal sampling of electri-cal pulses a 40 times higher voltage might be achieved using this new approach.