Quantum light sources are essential elements in various fields of quantum information science, such as quantum communication, quantum computation, and quantum metrology. Although various platforms are being studied to realize quantum emitters, semiconductor quantum dots (QDs) offer advantages in terms of ease of integration with optical and electrical devices, as well as scalability. However, semiconductor QDs suffer from drawbacks, including reduction of single-photon purity due to emission from the surrounding semiconductor materials and degraded coherence properties caused by fluctuation in the electric field around the quantum dots. Additionally, the random direction of emission of QDs limits the amount of light captured to the limited numerical aperture. In this thesis, we demonstrated that polarization-controlled quasi-resonant excitation can enhance the single-photon purity and coherence properties of semiconductor QDs. Furthermore, by combining QDs with a circular Bragg grating, we increased the collection efficiency of light in a limited numerical aperture and observed an increase in the spontaneous emission rate. Also, we developed the nanoscale focus pinspot method to enhance the single-photon purity of QDs without the reduction of QD signal intensity and destruction of neighboring photonic structures. We anticipate that these research findings can be applied to various quantum emitters based on other semiconductor-based QDs and defects in solids, thereby enhancing the performance of quantum emitters.
양자 광원은 양자 통신, 양자 컴퓨팅, 양자 측정 등의 다양한 양자 정보 분야에 있어 필수적인 요소이다. 양자 광원을 만들기 위해 다양한 플랫폼들이 연구되고 있지만, 그 중에서도 반도체 양자점은 광학 및 전기 소자와의 결합이 용이하고 확장성 측면에서도 장점을 가져 널리 연구되고 있다. 하지만 반도체 양자점은 반도체 안에 들어 있다는 특성 때문에 양자점 주변의 반도체 물질에서 나오는 발광이 양자광원의 단광자 순도를 떨어뜨리고, 양자점 주변의 전기장 변동에 의해 결맞음 특성이 저해되는 단점을 가진다. 또한, 양자점에서 나오는 발광의 방향이 무작위적이기 때문에 한정된 개구수 안에 들어오는 빛의 양이 제한적이라는 단점도 있다. 본 학위 논문에서는 반도체 양자점에 편광 선택 준공명 여기를 적용해 단광자 순도와 결맞음 특성을 향상시킬 수 있음을 보였다. 또한, 양자점과 원형 브래그 격자의 결합을 통해 한정된 개구수 안으로 포획되는 빛의 수집 효율을 높이고, 이에 더해 자발 발광률도 증가시킬 수 있음을 확인하였다. 그리고 나노스케일 포커스 핀스팟이라는 기술을 개발해, 주변 구조의 파괴나 양자점 발광 신호의 손실 없이 양자점의 단광자 순도를 개선하는 데 성공했다. 이러한 연구 내용들을 다양한 물질의 반도체 양자점 및 고체 내부의 결함 기반 양자 광원에도 적용해 양자 광원으로써의 성능을 향상시킬 수 있을 것으로 기대한다.
