Génération et manipulation d'états photoniques de haute dimension avec des puces AlGaAs

Generation and manipulation of high-dimensional photonics states with AlGaAs chips

• Auteur / Autrice : Giorgio Maltese
• Direction : Sara Ducci
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Optique Quantique
• Date : Soutenance le 20/05/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université Paris Diderot - Paris 7 (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Matériaux et phénomènes quantiques (Paris ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Pierre Hermier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sara Ducci, Jean-Pierre Hermier, Marco Liscidini, Virginia D'Auria, Eleni Diamanti, Maria Amanti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marco Liscidini, Virginia D'Auria

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gallium -- Composés

Arséniure de gallium

Moment angulaire

Optique quantique

Photonique

Intrication quantique

Mots clés libres

Conversion paramétrique

Intrication

Photonique intégrée quantique

Manipulation

Fréquence

Moment orbital angulaire

AlGaAs

Spontaneous parametric down conversion

Entanglement

Integrated quantum photonics

Manipulation

Frequency

Orbital angular momentum

AlGaAs

Résumé

Cette thèse est consacrée au développement de nouveaux dispositifs semi-conducteurs intégrés et de méthodes pour la génération et la manipulation d'états lumineux de haute dimension. Nous présentons l'étude d'un guide d'onde AlGaAs utilisant un processus de conversion paramétrique spontanée de type II en régime de pompage monochromatique, s’intéressant en particulier à l'amplitude spectrale jointe de l'état émis. La source fonctionne à température ambiante, émet des paires de photons dans le domaine des télécommunications et est compatible avec l'injection électrique. La génération d'états biphotoniques à large bande est démontrée expérimentalement par la reconstruction de l'intensité spectrale jointe et par une expérience de Hong-Ou-Mandel indiquant que les photons signal et complémentaire sont émis sur une large bande spectrale (170 nm) et avec un haut degré d'indiscernabilité (V=0,86). De plus, nous montrons que l'effet de cavité dû à la réflectivité des facettes des guides d'onde conduit à la production de peignes de fréquence à deux photons. Cette plateforme est utilisée pour démontrer une méthode originale de génération et de contrôle de la symétrie des états peignes exploitant les effets de cavité et un retard imposé entre les deux photons de chaque paire. Plus spécifiquement, nous montrons qu'un réglage fin de la fréquence de la pompe permet de générer des états peignes résonnants et anti-résonants permettant de manipuler la symétrie de la fonction d'onde. La méthode peut être adaptée et appliquée à une grande variété de systèmes, massifs ou intégrés, augmentant ainsi leur flexibilité et la richesse des états générés en vue de la mise en œuvre de nouveaux protocoles d'information quantique. En outre, nous démontrons la réalisation d'un guide d'onde AlGaAs pour la génération de faisceaux lumineux portant un moment angulaire de spin et présentons la conception d'un dispositif pour la génération d'un faisceau lumineux portant un moment orbital angulaire de premier ordre.

This thesis is devoted to the development of novel integrated semiconductor devices and methods for the generation and manipulation of high-dimensional states of light. We report on the study of an AlGaAs waveguide implementing type-II spontaneous parametric down conversion process in a monochromatic pump regime, with a focus on the joint spectral amplitude of the emitted biphoton state. The source works at room temperature, emits photon pairs in the telecom range and is compliant with electrical injection. The generation of broadband biphoton states is experimentally demonstrated via the reconstruction of the joint spectral intensity and via a Hong-Ou-Mandel experiment indicating that signal and idler photons are emitted over a large bandwidth (170nm) and with a high degree of indistinguishability (V=0.86). Moreover, we show that the cavity effect due to waveguide facets reflectivity leads to the production of biphoton frequency-comb states. This platform is used to demonstrate an original method to generate and control the symmetry of biphoton frequency combs exploiting cavity effects and a delay between the two photons of each pair. More specifically, we show that a fine tuning of the pump frequency enables the generation of resonant and anti-resonant comb states allowing to manipulate the wavefunction symmetry. The method can be adapted and applied to a large variety of systems, either bulk or integrated, thus increasing their flexibility and the richness of the generated states in view of implementation of new quantum information protocols.In addition, we demonstrate the realization of an AlGaAs ridge waveguide for the generation of light beams with tailored phase and polarization distributions, carrying spin angular momentum, and present the design of a device for the generation of a twisted light beam, carrying first order orbital angular momentum.