Sources de photons uniques fibrées efficaces basées sur des boîtes quantiques dans le proche infrarouge

Efficient fiber-coupled single-photon sources based on near infrared quantum dots

• Auteur / Autrice : Nico Margaria
• Direction : Aristide Lemaître, Niccolo Somaschi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 03/12/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Quandela
• Jury : Président / Présidente : Christophe Voisin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Michel Gérard, Wolfgang Löffler, Paola Atkinson
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Michel Gérard, Wolfgang Löffler

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique quantique

Semiconducteurs

Photons uniques

Points quantiques

Mots clés libres

Boîte quantique

Photon unique

Semiconducteurs

Optique quantique

Quantum dot

Single photon

Semiconductors

Quantum optics

Résumé

Les technologies quantiques promettent des avancées dans les domaines de la détection, de la communication et de l'informatique, avec des performances excédant celles des technologies classiques actuelles. Les dispositifs émettant des particules de lumière une à une sont des composants prometteurs pour les technologies quantiques, leurs efficacités devant être encore améliorées pour permettre l'adoptions de ces technologies. Actuellement, le système le plus développé pour la génération de photons uniques pour ces applications sont les boîtes quantiques (BQ) épitaxiales faites de matériaux semiconducteurs III-V. Pour obtenir des meilleures performances de ces émetteurs, les BQ sont insérées dans des microcavités et sont contrôlées puis stabilisées électriquement. Dans cette thèse je décris les propriétés de base des BQ et les procédés nécessaires à leurs transformation en sources de photons uniques efficaces. Ceci inclut des développements concernant la standardisation de leur fabrication pour accroître le volume de production de ces composants. Les avancées majeures décrites dans cette thèse concernent deux parties critiques du procédé : le contrôle de la densité spatiale et spectrale des BQ, et l'amélioration de la fabrication déterministe par lithographie in-situ. Pour simplifier l'utilisation de ces dispositifs, un nouveau procédé permettant le couplage de ces émetteurs à des fibres optiques monomodes est présenté. Les dispositifs fibrés démontrent d'excellentes performances au cours de plusieurs mois d'utilisation, comparables à celles des dispositifs non fibrés. En parallèle, un autre type de BQ a été développé par épitaxie de nanotrous gravés. Cette technique permet l'émission de photons uniques dans d'autres gammes de longueurs d'onde dans le proche infrarouge. Les premiers placement déterministes de ces émetteurs dans des cavités optiques a été démontrés.

Quantum technologies promise to bring several improvements to the fields of sensing, communication and computing, exceeding the performance of their classical counterparts. Single-photons are a promising platform for quantum applications, one outstanding issue being their generation efficiency. The highest-quality emitters for this purpose are epitaxial quantum dots (QD) made of III-V semiconductor materials. To reach their best performance, the QDs are embedded in microcavities to enhance their efficiency, together with being electrically contacted for charge control and stabilization. In this thesis I describe the basics of QDs, including their properties and the methods to use them as efficient sources of single photons. This includes multiple advancements in the standardization of their fabrication to produce these sources at scale. Major advancements are made on two key parts of the system to increase the fabrication yield. First, in the control the spatial and spectral density of QDs, and second in their deterministic fabrication by in-situ lithography. To simplify the operation of these devices, the development of directly fiber-coupled sources of single photons is presented. This is a crucial step toward plug and play devices, allowing for a simpler and more reliable operation. The fiber-pigtailed devices are shown to conserve state-of-the-art performance over months of use. In parallel, a different type of QDs have been developed based on droplet-etching epitaxy. This technique allows for the emission of single photons in other wavelength ranges in the near infrared. The first deterministic placement of these new droplet-etched QDs in micropillars is demonstrated.