Design, fabrication and characterization of photonic crystals for cavity quantum electrodynamics enhanced devices

• Autores: Iván Prieto González
• Directores de la Tesis: P. A. Postigo (dir. tes.), María Yolanda González Díez (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2014
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: José Manuel Calleja Pardo (presid.), José María Ripalda Cobián (secret.), Alejandro José Martínez Abietar (voc.), Lluís F. Marsal Garví (voc.), Juan Pascual Martínez Pastor (voc.)
• Materias:
  • Física
    • Electromagnetismo
      • Conductividad
    • Física del estado sólido
      • Cristalografía
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
• Resumen

  • In this thesis, photonic crystals with embedded quantum nanostructures were used to achieve enhanced devices for cavity quantum electrodynamics experiments. We have developed several fabrication procedures to obtain state{of{the{ art photonic crystal microcavities. Several applications have been demonstrated along the course of this thesis. Some of them are presented in this manuscript. First, near{thresholdless laser operating at room temperature was demonstrated in a system consisting of a L9{photonic crystal microcavity with embedded single layer of high density of InAsSb/GaAs quantum dots. Second, a methodology was presented to study the strong coupling between quantum nanostructures and cavity modes with high quality factor and low volume by means of nite di erence time domain. Third, three di erent approaches have been proposed towards the deterministic coupling of a single quantum dot with a photonic crystal microcavity mode. Results are based on the development of a strategy either to fabricate PCMS in spectral and spatial speci c positions or to specify those positions where the QDs have to be nucleated. To fabricate PCMs in speci c positions we have developed a fabrication procedure of photonic crystal microcavities with metallic marks, achieving an accuraccy in the spatial positioning better than 50 nm. Molecular beam epitaxial re{growth of pre{patterned photonic crystal microcavities in a incomplete GaAs slab have been designed, fabricated and tested to demonstrate their capability to integrate one or several isolated QDs. Finally, an enhanced external quantum e ciency in solar cells was demonstrated through the use of a photonic crystal.

    En esta tesis, se ha utilizado cristales fotónicos con nano{estructuras cuánticas para conseguir fabricar dispositivos mejorados para experimentos de electrodinámica cuántica en cavidades. Hemos desarrollado varios procesos de fabricación para obtener microcavidades de cristal fotónico en el estado del arte. Varias aplicaciones han sido demostradas durante el curso de esta tesis. Algunas de ellas son presentadas en este manuscrito. En primer lugar, un laser quasi{sin{ umbral a temperatura ambiente ha sido demostrado en un sistema que consiste en una cavidad de cristal fotónico con una única capa de puntos cuánticos de InAsSb/GaAs de alta densidad. En segundo lugar, se presenta una metodología para estudiar el acoplamiento fuerte entre nanostructuras cuánticas y modos de cavidad con alto factor de calidad y bajo volumen modal mediante diferencias fi- nitas en el dominio temporal. En tercer lugar, se proponen tres aproximaciones para la obtención de un sistema de punto cuántico acoplado de forma determinista con un modo de cavidad de cristal fotónico. Los resultados están basados en el desarrollo de una estrategia, bien de la fabricación de cavidades de cristal fotónico en posiciones específicas emitiendo en determinadas longitudes de onda, bien especificando el lugar donde se tienen que nuclear los puntos cuánticos. Para fabricar las cavidades de cristal fotónico en posiciones espeíficas hemos desarrollado un procedimiento de fabricación que hace uso de marcas metálicas de alineamiento, y hemos demostrado precisiones en el posicionamiento mejores que 50 nm. Se han conseguido cavidades fabricadas en una lámina incompleta y luego recrecidas mediante la técnica de crecimiento por haces moleculares y se ha demostrado su potencial para incorporar uno o varios puntos cuánticos posicionados. Finalmente, hemos demostrado una mejora en la e ciencia cuántica de células solares mediante el uso de cristales fotónicos