Les fils photoniques : une géométrie innovante pour la réalisation de sources de lumière quantique brillantes

Photonic nanowires : a new geometry to realize bright sources of quantum light

• Auteur / Autrice : Nitin Singh Malik
• Direction : Jean-Michel Gérard, Julien Claudon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance le 21/11/2011
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Service de physique des matériaux et microstructures (Grenoble ; 2000-2015) - Institut nanosciences et cryogénie (Grenoble ; 2008-2018)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Saminadayar
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Michel Gérard, Julien Claudon, Christian Seassal
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume Cassabois, Isabelle Sagnes

Mots clés

Mots clés libres

Nanophotonique

Fils photoniques

Semiconducteurs III-V

Boîtes quantiques

Lumière quantique

Nanophotonics

Photonic nanowires

III-V Semiconductors

Quantum dot

Quantum light

Résumé

Cette thèse présente la réalisation d'une source de photons uniques basée sur une boîte quantique InAs intégrée dans un fil photonique. Un fil photonique est un guide d'onde monomode constitué d'un matériau de fort indice de réfraction (GaAs dans notre cas). Pour un diamètre optimal voisin de 200 nm, pratiquement toute l'émission spontanée de l'émetteur (longueur d'onde dans le vide 950 nm) est dirigée vers le mode guidé fondamental. Le couplage des photons guidés à un objectif de microscope est ensuite optimisé en travaillant la géométrie des extrémités du fil. Ce dernier repose ainsi sur un miroir intégré et présente une extrémité supérieure en forme de taper. Cette approche non résonante combine de très bonnes performances à une grande tolérance sur la longueur d'onde de l'émetteur intégré. Cette thèse discute la physique des fils photoniques, la réalisation des structures en salle blanche et les résultats obtenus lors de la caractérisation optique. En particulier, nous avons réalisé une source combinant une efficacité record (0.72, état de l'art à 0.4) et une émission de photons uniques très pure. Nous discutons également le contrôle de la polarisation obtenu dans des fils de section elliptique.

This thesis presents the realization of an efficient single-photon source based on an InAs quantum dot integrated in a photonic nanowire. A photonic nanowire is a monomode waveguide made of a high refractive index material (GaAs in our case). For an optimal wire diameter around 200 nm, nearly all the spontaneous emission of the embedded single-photon emitter (free space wavelength 950 nm) is funnelled into the fundamental guided mode. In addition, the outcoupling efficiency of the guided photon to a microscope objective can be brought close to one with a proper engineering of the wire ends. The source thus features an integrated bottom mirror and a smooth tapering of the wire upper end. High performances are maintained over a broad wavelength range, a key asset of this 1D photonic structure. This thesis presents the physics which governs these structures, their realization, and their characterization. Under pulsed optical pumping, we demonstrate a single-photon source with a record efficiency of 0.72, combined with highly pure single-photon emission. We also discuss the possibility to obtain polarization control, using wire with an elliptical section.