Electrodynamique quantique en cavité avec des centres colorés dans le silicium : des ensembles à la source de photons uniques Les photons sont d’excellents porteurs d’information quantique. La génération, manipulation et mesure d’états quantiques photoniques ont permis des avancées pionnières dans le domaine de la physique quantique, ouvrant la voie vers des technologies disruptives. La photonique quantique intégrée, c’est-à-dire la manipulation de photons sur puce, est à l’avant-garde de cette révolution. En particulier, les circuits intégrés sur silicium sont devenus la principale plateforme pour la photonique quantique à grande échelle. Cependant, la difficulté à injecter sur-demande des photons dans une puce en silicium est un obstacle majeur au niveau de complexité atteignable par les systèmes actuels. Dans ce contexte, l’observation de défauts fluorescents uniques dans le silicium, appelés centres colorés, ouvre la voie vers l’intégration de sources atomiques de photons uniques. Bien que plusieurs centres colorés aient démontré leur faculté à émettre des photons dégroupés, leur application en pratique requiert de contrôler leurs propriétés d’émission par des effets d’électrodynamique quantique dans des cavités optiques.Cette thèse de doctorat est consacrée à l’électrodynamique quantique en cavité avec des centres colorés du silicium en cavités optiques, en vue de fabriquer une source efficace de photons uniques. Les efforts sont d’abord orientés sur des ensembles de centres G dans des cavité de type micro-anneau. Leurs propriétés optiques sont étudiées par spectroscopie de microphotoluminescence, et une exaltation de leur taux d’émission zéro phonon est démontrée. Cependant, une analyse quantitative révèle une faible efficacité quantique, motivant le choix d’un autre émetteur pour la suite. L’attention est alors tournée vers le centre W. Une exaltation du taux de recombinaison total est obtenue pour un ensemble de centres W en cavité à miroir de Bragg circulaire. Grâce à une analyse quantitative basée sur du calcul par différences finies dans le domaine temporel, une haute efficacité quantique est estimée. Ces résultats étant encourageants dans le cadre de l’émission de photons uniques, un montage optique est développé pour résoudre des émetteurs uniques et une stratégie est mise en place pour fabriquer des émetteurs isolés, menant à l’observation de centres W uniques dans du silicium-sur-isolant non-gravé. En utilisant un procédé de fabrication permettant un positionnement déterministe, les émetteurs sont intégrés dans des cavité à miroir de Bragg circulaire, menant à une exaltation de leur intensité de photoluminescence de plusieurs ordres de grandeur par effet Purcell. Ce travail mène à la démonstration d’une source d’impulsions à photons uniques.Un prochain jalon sera la démonstration d’une source de photons uniques pour la photonique quantique intégrée, à partir d’un centre coloré dans une cavité optique couplée à un guide d’onde. Au-delà de l’intérêt pour la photonique quantique intégrée, l’observation d’une photoluminescence intense pour un centre unique offre la perspective d’un plus large panel d’expériences, permettant de sonder des questions fondamentales liées à leur photophysique.
Electrodynamique quantique en cavité avec des centres colorés dans le silicium : des ensembles à la source de photons uniques Les photons sont d’excellents porteurs d’information quantique. La génération, manipulation et mesure d’états quantiques photoniques ont permis des avancées pionnières dans le domaine de la physique quantique, ouvrant la voie vers des technologies disruptives. La photonique quantique intégrée, c’est-à-dire la manipulation de photons sur puce, est à l’avant-garde de cette révolution. En particulier, les circuits intégrés sur silicium sont devenus la principale plateforme pour la photonique quantique à grande échelle. Cependant, la difficulté à injecter sur-demande des photons dans une puce en silicium est un obstacle majeur au niveau de complexité atteignable par les systèmes actuels. Dans ce contexte, l’observation de défauts fluorescents uniques dans le silicium, appelés centres colorés, ouvre la voie vers l’intégration de sources atomiques de photons uniques. Bien que plusieurs centres colorés aient démontré leur faculté à émettre des photons dégroupés, leur application en pratique requiert de contrôler leurs propriétés d’émission par des effets d’électrodynamique quantique dans des cavités optiques.Cette thèse de doctorat est consacrée à l’électrodynamique quantique en cavité avec des centres colorés du silicium en cavités optiques, en vue de fabriquer une source efficace de photons uniques. Les efforts sont d’abord orientés sur des ensembles de centres G dans des cavité de type micro-anneau. Leurs propriétés optiques sont étudiées par spectroscopie de microphotoluminescence, et une exaltation de leur taux d’émission zéro phonon est démontrée. Cependant, une analyse quantitative révèle une faible efficacité quantique, motivant le choix d’un autre émetteur pour la suite. L’attention est alors tournée vers le centre W. Une exaltation du taux de recombinaison total est obtenue pour un ensemble de centres W en cavité à miroir de Bragg circulaire. Grâce à une analyse quantitative basée sur du calcul par différences finies dans le domaine temporel, une haute efficacité quantique est estimée. Ces résultats étant encourageants dans le cadre de l’émission de photons uniques, un montage optique est développé pour résoudre des émetteurs uniques et une stratégie est mise en place pour fabriquer des émetteurs isolés, menant à l’observation de centres W uniques dans du silicium-sur-isolant non-gravé. En utilisant un procédé de fabrication permettant un positionnement déterministe, les émetteurs sont intégrés dans des cavité à miroir de Bragg circulaire, menant à une exaltation de leur intensité de photoluminescence de plusieurs ordres de grandeur par effet Purcell. Ce travail mène à la démonstration d’une source d’impulsions à photons uniques.Un prochain jalon sera la démonstration d’une source de photons uniques pour la photonique quantique intégrée, à partir d’un centre coloré dans une cavité optique couplée à un guide d’onde. Au-delà de l’intérêt pour la photonique quantique intégrée, l’observation d’une photoluminescence intense pour un centre unique offre la perspective d’un plus large panel d’expériences, permettant de sonder des questions fondamentales liées à leur photophysique.
Photonique silicium intégrée appliquée à l'optique quantique La photonique silicium est un domaine prolifique de l’optique intégrée. Elle permet de miniaturiser de nombreuses fonctionnalités optiques, l’émission laser (en considérant les stratégies d’intégration hybride), la modulation électro-optique, le routage, la détection, pour les télécoms, les LIDAR ou la spectroscopie, la métrologie, les capteurs et laboratoires sur puce, toute en produisant à grande échelle avec une grande précision et à bas coût (grâce au technologies CMOS de la microélectronique). L’optique quantique, quant à elle, souffre d’une grande sensibilité aux vibrations et à l’environnement. Les montages optiques nécessitent stabilité, alignement parfait et un grand nombre d’éléments optiques, ce qui limite son développement à grande échelle. Inversement, tous ces aspects sont naturels en photonique intégrée. Le développement de la photonique quantique est ainsi susceptible de permettre l’implémentation à large échelle de systèmes de clés de cryptage pour les télécoms et le calcul quantique. Les prérequis de la photonique quantique sont globalement plus sévères que ceux de la photonique classique. La génération d’états quantiques nécessite notamment un niveau de réjection de la pompe de plus de 100 dB ; le niveau de bruit photonique ambiant sur la puce est également un facteur à soigner particulièrement dans la mesure où les paires de photons générées par les processus quantiques sont par principe de très faible puissance. Dans ce contexte, cette thèse aborde le développement de composants et de circuits pour la photonique quantique silicium. Le but est de générer des états intriqués en énergie-temps et de pouvoir les manipuler sur une puce. Cela va de la conception à l’utilisation des paires de photons, en passant par la fabrication des circuits intégrés optiques. La qualification des propriétés quantiques est aussi explorée afin de cerner les limitations de la plateforme silicium pour le domaine applicatif visé. L’esprit de ce travail est également de proposer des solutions restantes compatibles avec les canaux de télécommunications standard (ITU), de n’utiliser que des composants fibrés standards pour les connexions à réaliser, tout en restant compatibles avec les techniques de fabrication industrielle des grandes fonderies microélectroniques afin de permettre une future production à grand échelle des circuits photoniques quantiques.
La photonique silicium est un domaine prolifique de l’optique intégrée. Elle permet de miniaturiser de nombreuses fonctionnalités optiques, l’émission laser (en considérant les stratégies d’intégration hybride), la modulation électro-optique, le routage, la détection, pour les télécoms, les LIDAR ou la spectroscopie, la métrologie, les capteurs et laboratoires sur puce, toute en produisant à grande échelle avec une grande précision et à bas coût (grâce au technologies CMOS de la microélectronique). L’optique quantique, quant à elle, souffre d’une grande sensibilité aux vibrations et à l’environnement. Les montages optiques nécessitent stabilité, alignement parfait et un grand nombre d’éléments optiques, ce qui limite son développement à grande échelle. Inversement, tous ces aspects sont naturels en photonique intégrée. Le développement de la photonique quantique est ainsi susceptible de permettre l’implémentation à large échelle de systèmes de clés de cryptage pour les télécoms et le calcul quantique. Les prérequis de la photonique quantique sont globalement plus sévères que ceux de la photonique classique. La génération d’états quantiques nécessite notamment un niveau de réjection de la pompe de plus de 100 dB ; le niveau de bruit photonique ambiant sur la puce est également un facteur à soigner particulièrement dans la mesure où les paires de photons générées par les processus quantiques sont par principe de très faible puissance. Dans ce contexte, cette thèse aborde le développement de composants et de circuits pour la photonique quantique silicium. Le but est de générer des états intriqués en énergie-temps et de pouvoir les manipuler sur une puce. Cela va de la conception à l’utilisation des paires de photons, en passant par la fabrication des circuits intégrés optiques. La qualification des propriétés quantiques est aussi explorée afin de cerner les limitations de la plateforme silicium pour le domaine applicatif visé. L’esprit de ce travail est également de proposer des solutions restantes compatibles avec les canaux de télécommunications standard (ITU), de n’utiliser que des composants fibrés standards pour les connexions à réaliser, tout en restant compatibles avec les techniques de fabrication industrielle des grandes fonderies microélectroniques afin de permettre une future production à grand échelle des circuits photoniques quantiques.
La photonique silicium est un domaine prolifique de l'optique integree. Elle permet de miniaturiser de nombreuses fonctionnalites optiques, l'emission laser (en considerant les strategies d'integration hybride), la modulation electro-optique, le routage, la detection, pour les telecoms, les LIDAR ou la spectroscopie, la metrologie, les capteurs et laboratoires sur puce, toute en produisant a grande echelle avec une grande precision et a bas cout (grâce au technologies CMOS de la microelectronique). L'optique quantique, quant a elle, souffre d'une grande sensibilite aux vibrations et a l'environnement. Les montages optiques necessitent stabilite, alignement parfait et un grand nombre d'elements optiques, ce qui limite son developpement a grande echelle. Inversement, tous ces aspects sont naturels en photonique integree. Le developpement de la photonique quantique est ainsi susceptible de permettre l'implementation a large echelle de systemes de cles de cryptage pour les telecoms et le calcul quantique. Les prerequis de la photonique quantique sont globalement plus severes que ceux de la photonique classique. La generation d'etats quantiques necessite notamment un niveau de rejection de la pompe de plus de 100 dB ; le niveau de bruit photonique ambiant sur la puce est egalement un facteur a soigner particulierement dans la mesure ou les paires de photons generees par les processus quantiques sont par principe de tres faible puissance. Dans ce contexte, cette these aborde le developpement de composants et de circuits pour la photonique quantique silicium. Le but est de generer des etats intriques en energie-temps et de pouvoir les manipuler sur une puce. Cela va de la conception a l'utilisation des paires de photons, en passant par la fabrication des circuits integres optiques. La qualification des proprietes quantiques est aussi exploree afin de cerner les limitations de la plateforme silicium pour le domaine applicatif vise. L'esprit de ce travail est egalement de proposer des solutions restantes compatibles avec les canaux de telecommunications standard (ITU), de n'utiliser que des composants fibres standards pour les connexions a realiser, tout en restant compatibles avec les techniques de fabrication industrielle des grandes fonderies microelectroniques afin de permettre une future production a grand echelle des circuits photoniques quantiques.
Électrodynamique quantique en cavité avec des nanotubes de carbone Les nanotubes de carbone sont largement étudiés pour leurs propriétés mécaniques et électroniques étonnantes. Optiquement, ils sont d'excellents candidats pour les sources à un seul photon à la demande car ils peuvent être excités électriquement et ils peuvent émettre une lumière dégroupée à température ambiante dans les bandes de télécommunications. Cependant, leur efficacité d'émission est faible, les origines de l'émission restent peu claires et la forme spectrale de leur photoluminescence est compliquée.Dans ce travail, nous construisons une configuration originale combinant un microscope confocal et une micro-cavité à base de fibres optiques qui est à la fois spatialement et spectralement réglable. Avec ce dispositif, nous avons observé l'apparition des effets de l'électrodynamique quantique en cavité en analysant l'évolution du couplage dipôle-cavité en fonction du volume de la cavité. Nous avons obtenu une forte accélération du taux d'émission spontanée, grâce à des facteurs Purcell supérieurs à 100. L'efficacité effective associée de la source atteint jusqu'à 50%, conduisant à une luminosité jusqu'à 10%, tout en conservant d'excellentes caractéristiques de dégroupement.Nous observons l'effet du couplage de la cavité en fonction du désaccord de la cavité et développons un modèle pour tenir compte des émetteurs soumis au couplage exciton-phonon en présence d'une cavité. Nous montrons que notre source de photons uniques est accordable sur une gamme de fréquences plus de cent fois supérieure à la largeur spectrale de la cavité, ouvrant ainsi la voie à un multiplexage étendu.Un renforcement supplémentaire du couplage peut ouvrir la voie à la très riche physique des polaritons de cavité unidimensionnels. Inversement, les polaritons de cavité pourraient être un outil pour mieux comprendre la diffusion et les propriétés de localisation des excitons dans les nanotubes de carbone. Enfin, la configuration initiale ici est extrêmement polyvalente et pourrait être utilisée pour coupler d'autres types d'émetteurs, comme les nano-diamants ou les molécules.
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.
Interactions entre photons émis par des sources brillantes à base de boîtes quantiques en cavité Dans le domaine de l’information quantique, les photons apparaissent comme de parfaits bits quantiques (qubits) pour le transport de l’information d’un point à un autre. Ce besoin de photons uniques sur demande, où un et un seul photon est émis avec une bonne fiabilité, conduit à une recherche considérable dans le développement de sources de photons efficace. Un paramètre clé est la brillance, défini comme la probabilité qu’un photon émis par l’émetteur soit collecté. Pour certaines applications, il est également important que tous les photons émis soient tous identiques. On dit alors qu’ils sont indiscernables, dans ce cas les photons peuvent interagir et interférer entre eux. Pour obtenir la source idéale de photons uniques et indiscernables avec une brillance égale à un, de nombreuses pistes sont explorées avec différents émetteurs tels que des défauts dans le diamant, des ions ou des atomes piégés, des molécules uniques ou des boîtes quantiques semiconductrices.En couplant une boîte quantique avec une cavité optique, l’émission spontanée est de la boîte quantique est modifiée pour obtenir des sources brillantes de photons uniques. Une technique innovante développée dans l’équipe du Pr. Pascale Senellart au Laboratoire de Photonique et Nanostructures (LPN) du CNRS permet de fabriquer des sources brillantes de manière reproductible avec une excellente fiabilité.Ce travail explore les performances de boîtes quantiques uniques couplées dans des micropiliers. Diverses techniques sont utilisées pour augmenter la pureté des photons uniques et leur indiscernabilité tout en maintenant une brillance élevée. Dans un premier temps, une structure de cavité adiabatique a été utilisée pour obtenir une plus grande accélération de l’émission spontanée des BQs par effet Purcell. Ces sources ont utilisées pour réaliser un réseau où les photons émis par différentes sources interfèrent. Ensuite, une technique pour appliquer une tension électrique sur les micropilliers a été développée. Grâce à cette technique et à une excitation optique résonante, des photons parfaitement indiscernables sont collectés avec une très bonne brillance.Les résultats présentés ouvrent de nombreuses perspectives pour diverses applications telles que la fabrication d’un réseau quantique, pour la cryptographie quantique, pour la métrologie ou pour la microscopie.