Couplage déterministe d'une source de photons uniques à des structures photoniques à base de polymère

Manipulation of solid-state single-photon emitters by deterministic coupling into polymer-based photonic structures

• Auteur / Autrice : Gia Long Ngo
• Direction : Ngoc Diep Lai, Jean-Pierre Hermier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 20/11/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Lumière, matière et interfaces (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2020-...)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Ecole Normale Supérieure Paris-Saclay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sara Ducci, Renaud Bachelot, Gaëtan Lévêque, Nadia Belabas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sara Ducci, Renaud Bachelot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Guides d'ondes

Photonique

Composites polymères

Photons uniques

Nanocristaux semiconducteurs

Mots clés libres

Nanocristaux colloïdaux

Source de photons uniques

Polymère

Structures photoniques

Écriture directe par laser par absorption ultra-faible à un-photon

Colloidal quantum dot

Single photon source

Polymer

Photonic structures

LOPA DLW

Résumé

Dans cette thèse, nous nous concentrons sur l'utilisation de écriture directe par laser par absorption ultra-faible à un-photon (LOPA-DLW) pour coupler précisément des émetteurs de photons uniques à base de nanocristaux colloïdaux (NCx) individuels à des structures polymères multidimensionnelles. Les travaux comportent quatre parties :La première partie présente les propriétés optiques des NCx à cœur/coquille de CdSe/CdS. Nous optimisons l'émission de photons uniques et étudions l'orientation des dipôles d'émission des NC. Nous montrons que les nanocristaux à notre disposition sont des candidats appropriés pour l'intégration à des structures photoniques.La deuxième partie détaille le mécanisme d'écriture par laser utilisé pour coupler les nanocristaux à des structures photoniques arbitraires élaborées à partir de la résine photo négative SU-8. Nous montrons qu'un guide d'ondes circulaire résonant permet d'ajuster le diagramme de rayonnement en champ lointain d'un NC individuel. Nos résultats contribuent à la compréhension des propriétés optiques des structures à base de réseau circulaire concentrique utilisant des matériaux à faible indice de réfraction.La troisième partie présente la réalisation de diviseurs et combineurs optiques utilisant des structures polymères à base de micropiliers verticaux fonctionnant en régime de comptage de photons. Plusieurs architectures sont présentées. Les résultats constituent une avancée vers de futures interconnexions optiques basées sur le couplage d'onde évanescente en configuration verticale.La quatrième partie explore les diviseurs optiques basés sur une structure de guide d'onde polymère en arcs croisés à trois dimensions. Cette approche offre des avantages car la structure est mécaniquement plus stable que les structures à base de micropilliers verticaux et présente des perspectives prometteuses de mise à l'échelle.En conclusion, cette thèse fournit un cadre cohérent pour coupler de manière déterministe des NCx individuels dans des structures photoniques polymères en utilisant la technique d'écriture par laser LOPA-DLW, faisant progresser le domaine de la photonique quantique intégrée. Les travaux futurs pourraient se concentrer sur l'optimisation des structures pour une efficacité accrue et la mise à l'échelle des guides d'onde 3D pour des configurations plus complexes.

In this thesis, we focus on utilizing low-one photon absorption (LOPA) direct laser writing (DLW) to precisely couple colloidal quantum dot (QD)-based single photon emitters (SPEs) into multidimensional polymeric structures. The research is segmented into four parts :The first part presents the optical properties of CdSe/CdS core/shell nanocrystals. We optimize single-photon emission and study the orientation of emitting dipoles within the QDs. We identify our QDs as suitable candidates for integration into photonic structures.The second part details the mechanism of LOPA-based DLW to couple QDs into arbitrary photonic structures based on SU-8 negative photoresist. Next, a particular focus on the circular waveguide resonant grating structure allows us to customize far-field radiation patterns of QD-based SPEs. The findings here contribute to the understanding of optical properties of concentric circular grating structures using low refractive index polymer materials.The third part showcases an approach to optical splitters and combiners using vertical polymeric submicropillar structures operating at the single-photon level. Several architectural configurations are introduced. The results represent advancement toward future quantum optical interconnects based on evanescent wave coupling in vertical configuration.The fourth part explores quantum optical splitters based on a 3D polymeric crossed-arc waveguide structure. This approach provides advantages as it is more mechanically stable than submicropillar structures and has potential for scalability.In conclusion, this thesis provides a framework for deterministically coupling single QDs into polymeric photonic structures using LOPA-based DLW, advancing the field of integrated quantum photonics. Future work could focus on optimizing structures for improved efficiency and scaling the 3D waveguides for more complex configurations.