Lumière lente dans les guides à cristaux photoniques pour l'interaction renforcée avec la matière Dans cette thèse, nous avons étudié l'impact considérable de désordre aléatoire sur le transport de la lumière lente dans les guides à cristaux photoniques 1D, c'est-à-dire la localisation de la lumière. Les mesures en champ proche, les simulations statistiques et le modèle théorique révèlent l'existence d'une limite inférieure de l’extension spatiale des modes localisés. Nous avons également présenté que le niveau de désordre et l’extension spatiale de mode localisé individuelle sont liés par la masse effective de photons plutôt que la vitesse de groupe considérant en général.Deuxièmement, les systèmes hybrides d'atomes froids et des guides à cristaux photoniques ont été reconnus comme un approche prometteuse pour l'ingénierie grande interaction lumière-matière au niveau des atomes et des photons individuels. Dans cette thèse, nous avons étudié la physique, à savoir le transport de la lumière dans des guides de nanophotonique périodiques couplées à des atomes à deux niveaux. Notre expression semi-analytique développée est générale et peut rapidement caractériser le couplage entre les atomes froids et les photons guidées. Pour surmonter les difficultés techniques considérables existent dans les systèmes hybrides atomique et photonique, nous avons conçu un guide nanophotonique qui supporte un mode de Bloch lente guidée avec grande queue évanescente dans l'espace libre pour les atomes froids de piégeage. Pour adapter précisément la région de fréquence de la lumière lente du mode guidé à la ligne de transition atomique, nous avons conçu la bande photonique et de la courbe de dispersion du mode guidé afin que la force de l'interaction est robuste contre imprévisible fabrication imperfection.
Lumière lente dans les guides à cristaux photoniques pour l'interaction renforcée avec la matière Dans cette thèse, nous avons étudié l'impact considérable de désordre aléatoire sur le transport de la lumière lente dans les guides à cristaux photoniques 1D, c'est-à-dire la localisation de la lumière. Les mesures en champ proche, les simulations statistiques et le modèle théorique révèlent l'existence d'une limite inférieure de l’extension spatiale des modes localisés. Nous avons également présenté que le niveau de désordre et l’extension spatiale de mode localisé individuelle sont liés par la masse effective de photons plutôt que la vitesse de groupe considérant en général.Deuxièmement, les systèmes hybrides d'atomes froids et des guides à cristaux photoniques ont été reconnus comme un approche prometteuse pour l'ingénierie grande interaction lumière-matière au niveau des atomes et des photons individuels. Dans cette thèse, nous avons étudié la physique, à savoir le transport de la lumière dans des guides de nanophotonique périodiques couplées à des atomes à deux niveaux. Notre expression semi-analytique développée est générale et peut rapidement caractériser le couplage entre les atomes froids et les photons guidées. Pour surmonter les difficultés techniques considérables existent dans les systèmes hybrides atomique et photonique, nous avons conçu un guide nanophotonique qui supporte un mode de Bloch lente guidée avec grande queue évanescente dans l'espace libre pour les atomes froids de piégeage. Pour adapter précisément la région de fréquence de la lumière lente du mode guidé à la ligne de transition atomique, nous avons conçu la bande photonique et de la courbe de dispersion du mode guidé afin que la force de l'interaction est robuste contre imprévisible fabrication imperfection.
Dans cette thèse, nous avons étudié l'impact considérable de désordre aléatoire sur le transport de la lumière lente dans les guides à cristaux photoniques 1D, c'est-à-dire la localisation de la lumière. Les mesures en champ proche, les simulations statistiques et le modèle théorique révèlent l'existence d'une limite inférieure de l’extension spatiale des modes localisés. Nous avons également présenté que le niveau de désordre et l’extension spatiale de mode localisé individuelle sont liés par la masse effective de photons plutôt que la vitesse de groupe considérant en général.Deuxièmement, les systèmes hybrides d'atomes froids et des guides à cristaux photoniques ont été reconnus comme un approche prometteuse pour l'ingénierie grande interaction lumière-matière au niveau des atomes et des photons individuels. Dans cette thèse, nous avons étudié la physique, à savoir le transport de la lumière dans des guides de nanophotonique périodiques couplées à des atomes à deux niveaux. Notre expression semi-analytique développée est générale et peut rapidement caractériser le couplage entre les atomes froids et les photons guidées. Pour surmonter les difficultés techniques considérables existent dans les systèmes hybrides atomique et photonique, nous avons conçu un guide nanophotonique qui supporte un mode de Bloch lente guidée avec grande queue évanescente dans l'espace libre pour les atomes froids de piégeage. Pour adapter précisément la région de fréquence de la lumière lente du mode guidé à la ligne de transition atomique, nous avons conçu la bande photonique et de la courbe de dispersion du mode guidé afin que la force de l'interaction est robuste contre imprévisible fabrication imperfection.
Lumière lente par interactions non linéaires et cavités à cristaux photoniques Nous présentons la combinaison de la propagation de la lumière lente avec les propriétés de résonance d'une cavité à cristal photonique et par le mode lent d'un guide d'ondes à cristal photonique. Nous démontrons théoriquement et expérimentalement que la lumière lente générée par les oscillations cohérentes des populations (OCP) permet d'avoir une cavité de petite taille et ultra-haute facteur de qualité (Q), quels que soient les enjeux technologiques et de design. La démonstration expérimentale est réalisée dans une cavité L3 dans un cristal photonique (CPh) bidimensionnel avec puits quantiques semi-conducteurs, milieu actif dans lequel l'effet OCP est induit. Nous obtenons une facteur-Q de la cavité de 520000 qui correspond à une amélioration de 138 en comparant avec le facteur-Q initial de la cavité. Nous présentons une approche théorique à la combinaison de la lumière lente obtenue par l'effet OCP et le mode lent dans des guides d'ondes à CPh, ce qui montre que l'indice du groupe total correspond à une multiplication des indices de groupes associés à la lumière lente générée par OCP et aux modes lents des guides d'ondes. Nous avons aussi posé les bases pour la démonstration expérimentale, faisant la conception et de la fabrication des échantillons dans les salles blanches du LPN et abordant la difficulté du couplage et de l'extraction de la lumière dans les guides d'ondes à CPh. Une conception particulière des guides d'ondes sous forme de un super réseau qui permet de coupler la lumière perpendiculairement au plan du CPh à partir de l'espace libre est proposée. Le coupleur vertical a été connu et fabriqué le long du guide et a été expérimentalement caractérisé. L'investigation expérimentale de la combinaison de lumière lente basée sur l'effet OCP dans les guides à CPh est toujours en cours.
Guides d'ondes à modes lents et atomes froids : vers une plateforme polyvalente d'électrodynamique quantique en guide d'onde Les récentes plateformes expérimentales qui combinent atomes froids et guides d'ondes nanométriques offrent une approche prometteuse pour atteindre un régime de couplage fort entre lumière et atomes en simple passage. Cette thèse porte sur la conception, la fabrication et la mise en œuvre d’une telle plateforme hybride permettant d’interfacer la lumière lente de guides d’ondes à cristaux photoniques avec des atomes de Rubidium froids piégés à proximité de leur surface. Les modes lents de ces guides doivent permettre une interaction lumière-matière renforcée par rapport aux systèmes existants en espace libre ou avec une nanofibre, ce qui rend cette nouvelle plateforme propice à la mise en place de protocoles d’électrodynamique quantique en guide d’onde. En portant une attention particulière à la robustesse des structures face aux imperfections de fabrication, nous proposons trois designs innovants de guides d’ondes à fort indice de réfraction permettant une interaction lumière-matière efficace ainsi que la mise en place de pièges dipolaires évanescents pour maintenir les atomes proches de leur surface. Nous décrivons ensuite le dispositif expérimental construit pour produire un nuage d’atomes froids, conçu pour intégrer de tels guides nanofabriqués et en approcher les atomes à l’aide de pinces optiques réalisées avec des modes optiques d’ordres supérieurs. Ce travail ouvre la voie à de futures plateformes d’électrodynamique quantique en guide d’onde avec des atomes froids qui pourraient constituer des ressources précieuses pour des protocoles d'optique quantique non-linéaire, la simulation quantique ou le calcul quantique variationnel.
Les récentes plateformes expérimentales qui combinent atomes froids et guides d'ondes nanométriques offrent une approche prometteuse pour atteindre un régime de couplage fort entre lumière et atomes en simple passage. Cette thèse porte sur la conception, la fabrication et la mise en œuvre d’une telle plateforme hybride permettant d’interfacer la lumière lente de guides d’ondes à cristaux photoniques avec des atomes de Rubidium froids piégés à proximité de leur surface. Les modes lents de ces guides doivent permettre une interaction lumière-matière renforcée par rapport aux systèmes existants en espace libre ou avec une nanofibre, ce qui rend cette nouvelle plateforme propice à la mise en place de protocoles d’électrodynamique quantique en guide d’onde. En portant une attention particulière à la robustesse des structures face aux imperfections de fabrication, nous proposons trois designs innovants de guides d’ondes à fort indice de réfraction permettant une interaction lumière-matière efficace ainsi que la mise en place de pièges dipolaires évanescents pour maintenir les atomes proches de leur surface. Nous décrivons ensuite le dispositif expérimental construit pour produire un nuage d’atomes froids, conçu pour intégrer de tels guides nanofabriqués et en approcher les atomes à l’aide de pinces optiques réalisées avec des modes optiques d’ordres supérieurs. Ce travail ouvre la voie à de futures plateformes d’électrodynamique quantique en guide d’onde avec des atomes froids qui pourraient constituer des ressources précieuses pour des protocoles d'optique quantique non-linéaire, la simulation quantique ou le calcul quantique variationnel.
Développement d'une plateforme nanophotonique à modes lents pour l'interaction forte entre des atomes de Rb froids et des photons guidés Cette thèse présente les résultats de recherche obtenues au course de ma thèse portant sur la conception, la fabrication et les premières caractérisations optiques de guides d’ondes à cristal photonique à mode lent à base de GaInP, destinés à la forte interaction des photons guidés avec la transition D₂ (780 nm) des atomes de ⁸⁷Rb. L’approche choisie implique le couplage des atomes au mode optique guidé, un concept appelé électrodynamique quantique en guide d’ondes (QED en guide d’ondes). Les guides d’ondes à cristal photonique ont été conçus avec une ingénierie de dispersion pour atteindre un mode lent ayant des indices de groupe élevés (∼ 30 - 50) autour de 780 nm. La conception, la tolérance de fabrication a été prise en compte pour garantie un mode lent sur une bande d’environ 10 nm. Le guide d’ondes est destiné à être suspendu, permettant ainsi un espace libre autour de lui pour faciliter le transport des atomes à proximité et le couplage de la lumière depuis une source laser externe. Les détails sur le processus de nanofabrication optimisé et reproductible sont donnés dans cette thèse. Les défis rencontrés lors de la fabrication et les solutions apportées ont été abordés, suivis d’une analyse des résultats de la fabrication des nanostructures. Une caractérisation optique préliminaire des guides d’ondes a été réalisée, au cours de laquelle les spectres de transmission de différentes nanostructures ont été mesurés.
Emission de lumière non-classique par des cavités à cristaux photoniques La photonique quantique intégrée promet d'amener l'optique quantique vers un dispositif pratique. L'objectif principal de ce domaine est d'atteindre une intégration évolutive pour diverses applications, notamment l'informatique quantique, la simulation, la communication et la détection. Dans un circuit quantique, des photons, qui portent l'état quantique, sont générés, manipulés à l'aide de composants linéaires et non linéaires, puis détectés. L'objectif de cette étude doctorale est de contribuer au développement de sources de lumière non classique efficaces et évolutives, pour la génération d'intrication, de photons uniques et d'états comprimés. À cette fin, nous introduisons une nouvelle classe de sources basée sur des résonateurs à cristaux photoniques (PhC) et nous démontrons des performances à l'état de l'art en termes d'efficacité et de « footprint ». Les cavités PhC ont été envisagées pour l'optique quantique sans toutefois atteindre des performances suffisantes. Par conséquent, les micro-disques et anneaux ont été couramment utilisés comme sources pour la photonique quantique intégrée.Encouragés par la démonstration des premières oscillations paramétriques optiques (OPO) utilisant une cavité à cristaux photoniques, nous avons exploré l'application potentielle de cette technologie dans le domaine de l'optique quantique. En dessous du seuil, l'OPO génère des paires de photons corrélées grâce à un processus paramétrique spontané, en particulier le mélange à quatre ondes spontané. Les OPO sont couramment utilisés pour générer des paires de photons intriqués et des états « squeezés ». Il est crucial que la cavité contienne trois modes equi-espacés qui correspondent aux fréquences des photons en interaction, car cela garantit une efficacité maximale.Deux géométries de cavités à cristaux photoniques ont été considérées : Nanobeam et Bichromatic, toutes deux constituées de phosphure d'indium-gallium. Le principal résultat est la génération ultra-efficace de paires de photons corrélés dans le temps. Cela confirme nos attentes fondées sur le seuil ultra-bas de l'OPO. En tenant compte de l'état de l'art, nous montrons que l'efficacité est proportionnelle au volume d'interaction dans la cavité. Par conséquent, l'origine de l'efficacité très élevée réside dans le volume très réduit des cavités à cristaux photoniques. De plus, cela implique également une « footprint » réduite sur la puce, ce qui favorise la « scalabilité ». Nous avons ensuite caractérisé davantage les propriétés des photons générés, notamment l'intrication temps-énergie, l'émission de photons uniques annoncés et l'émission de paires de photons en régime pulsé, une étape essentielle vers la démonstration de l'intrication dit « time-bin ». De plus, des étapes préliminaires ont été entreprises pour générer des états comprimés à deux modes. En outre, nous avons également étudié la dynamique classique au-dessus du seuil OPO en échantillonnant son espace de paramètres grâce à des mesures effectuées sur un grand nombre de dispositifs. Cela nous a permis d'établir une condition pour le fonctionnement de l'OPO, en accord avec un modèle mettant en avant le rôle limitant de l'absorption non linéaire. Nous avons également mis en évidence des instabilités potentielles dans le fonctionnement de l'OPO. Enfin, nous avons commencé à aborder la question de la « scalabilité » en réalisant une analyse statistique sur plus de 650 cavités afin d'étudier l'impact des tolérances de fabrication.Ainsi, nous avons démontré des sources quantiques à base de cavités à cristaux photoniques avec un niveau exceptionnel d'efficacité. Cela suggère une nouvelle approche prometteuse pour le développement de sources évolutives au sein des circuits quantiques intégrés.