Boîtes quantiques semi-conductrices couplées à des nanostructures photoniques : simulations et applications pour les technologies quantiques intégrées

Semiconductor quantum dots coupled to photonic nanostructures : simulations and applications for integrated quantum technologies

• Auteur / Autrice : Anatole Bach
• Direction : Valia Voliotis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 12/12/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des nanosciences de Paris (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Eleni Diamanti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Rémy Braive, Armando Rastelli
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Christophe Couteau, Isabelle Robert-Philip

Mots clés

Mots clés contrôlés

Points quantiques

Bits quantiques

Nanostructures

Photonique

Mots clés libres

Boîtes quantiques

Qubit

Photonique

Optique

Quantum dots

Qubit

Photonics

Optics

Résumé

Dans cette thèse, nous proposons d'explorer les nanostructures photoniques pour résoudre les problèmes de cohérence et d'excitation résonante des points quantiques. Les nanostructures photoniques permettent d'adapter l'environnement électromagnétique du point quantique, et l'intégration des points quantiques dans des cavités à cristaux photoniques améliore leur taux de recombinaison radiative, limitant ainsi l'influence des processus de déphasage. De plus, en couplant les cavités à cristaux photoniques à des guides d'ondes à cristaux photoniques, la collection d'émission du point quantique peut être spatialement découplée du laser d'excitation, ce qui permet une excitation résonante du point quantique. Cette thèse est divisée en 5 chapitres. Le premier chapitre passe en revue l'interaction entre un point quantique et le champ électromagnétique. Nous commençons par étudier les structures des niveaux d'énergie des hétérostructures semi-conductrices pour comprendre l'origine de la discrétisation des niveaux d'énergie du point quantique. Le point quantique est ensuite considéré comme un système à deux niveaux pour étudier son interaction avec le champ électromagnétique. Nous montrons l'influence de la densité d'états du champ électromagnétique sur le taux de recombinaison radiative des porteurs de charge du point quantique. Dans le deuxième chapitre, nous présentons les cavités à cristal photonique utilisées pour façonner l'environnement électromagnétique des points quantiques. En utilisant la méthode des différences finies dans le domaine temporel (FDTD), nous calculons et optimisons les propriétés des cavités H1 et L3. Les propriétés optimisées sont la longueur d'onde du mode de la cavité, qui doit correspondre spectralement à la longueur d'onde du point quantique, le facteur de Purcell de la cavité, qui quantifie l'amélioration du taux radiatif du point quantique, et le profil d'émission en champ lointain du mode de la cavité, qui doit être contenu dans de petites ouvertures numériques pour permettre une collecte efficace des photons émis par un point quantique couplé à la cavité par l'objectif d'un microscope. Les points quantiques présentés dans cette thèse ont été cultivés à l'INSP par P. Atkinson, et les nanostructures photoniques ont été fabriquées au C2N par R. Braive. Le troisième chapitre présente les différents échantillons utilisés dans cette thèse et leur nanofabrication. Un premier échantillon est ensuite étudié pour évaluer les propriétés des nanostructures photoniques fabriquées, et leur écart par rapport aux propriétés simulées. Dans le quatrième chapitre, le couplage d'un point quantique à une cavité à cristal photonique est étudié. Dans la première partie du chapitre, nous présentons des preuves expérimentales et la quantification du couplage d'un point quantique à une cavité H1, et nous montrons l'importance du couplage spatial entre le point quantique et la cavité. Nous présentons ensuite le dispositif expérimental utilisé pour cartographier la photoluminescence des points quantiques avant la fabrication des nanostructures afin d'assurer ce couplage spatial. Enfin, le dernier chapitre présente des nanostructures photoniques conçues pour collecter efficacement les photons émis par un point quantique couplé à une cavité et pour supprimer géométriquement le laser d'excitation. Ces structures sont constituées de cavités en cristal photonique couplées à des guides d'ondes en cristal photonique et permettent la collecte de la luminescence par le côté de la structure en utilisant le couplage adiabatique d'un guide d'onde suspendu avec une fibre conique.Le couplage des cavités H1 et L3 aux guides d'ondes à cristaux photoniques et l'efficacité de collecte de la structure sont d'abord simulés par FDTD, puis la détermination expérimentale de l'efficacité de la collecte latérale est présentée.

In this thesis, we propose to explore photonic nanostructures to address the problems of the coherence and resonant excitation of quantum dots. Photonic nanostructures en- able the tailoring of the electromagnetic environment of the quantum dot, and integration of quantum dots in photonic crystal cavities enhances their radiative recombination rate, thereby limiting the influence of the dephasing processes. Moreover, by coupling the photonic crystal cavities to photonic crystal waveguides, the quantum dot’s emission collection can be spatially decoupled from the excitation laser, allowing resonant excitation of the quantum dot. This thesis is divided in 5 chapters. The first chapter reviews the interaction between a quantum dot and the electromagnetic field. We start by studying the energy levels structures of semiconductor heterostructures to understand the origin of the quantum dot’s energy levels discretization. The quantum dot is then considered as a two-level system to study its interaction with the electromagnetic field. We show the influence of the electromagnetic field’s density of states on the radiative recombination rate of the quantum dot’s charge carriers. In the second chapter, the photonic crystal cavities used to shape the electromagnetic environment of the quantum dots are introduced. Using the finite difference time domain (FDTD) method, we calculate and optimize the properties of H1 and L3 cavities. The optimized properties are the wavelength of the cavity mode, which must spectrally match the wavelength of the quantum dot, the cavity’s Purcell factor, which quantifies the enhancement of the quantum dot’s radiative rate, and the far-field emission profile of the cavity mode, which should be contained in small numerical apertures to allow efficient collection of the photons emitted by a cavity-coupled quantum dot by a microscope objective. The quantum dots presented in this thesis were grown at the INSP by P. Atkinson, and the photonic nanostructures were fabricated at the C2N by R. Braive. The third chapter presents the different samples used in this thesis and their nanofabrication. A first sample is then studied to evaluate the properties of the fabricated photonic nanostructures, and their deviation from the simulated properties. In the fourth chapter the coupling of quantum dot to a photonic crystal cavity is studied. In the first part of the chapter, we present experimental evidence and quantization of the coupling of a quantum dot to an H1 cavity, and show the importance of the spatial coupling between the quantum dot and the cavity. We then present the experimental setup used to map the photoluminescence of the quantum dots prior to the nanostructures fabrication to ensure this spatial coupling. Finally, the last chapter presents photonic nanostructures which are designed to efficiently collect the photons emitted by a cavity-coupled quantum dot and to geometrically supress the excitation laser. These structures consist of photonic crystal cavities coupled to photonic crystal waveguides and allow the collection of the luminescence by the side of the structure using adiabatic coupling of a suspended waveguide with a tapered fiber. The coupling of H1 and L3 cavities to photonic crystal waveguides and the collection efficiency of the structure are first simulated by FDTD, and experimental determination of the efficiency of the side collection is then presented.