Le centre coloré W en microcavité optique : une source de photons uniques indiscernables sur puce silicium

W color centers for integrated quantum photonics on silicon chips

• Auteur / Autrice : Giuliano Coppola
• Direction : Jean-Michel Gérard
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique de la Matière Condensée et du Rayonnement
• Date : Inscription en doctorat le 16/09/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : PHotonique, ELectronique et Ingéniérie QuantiqueS

Mots clés

Mots clés libres

Source de Photon Unique

Photonique Silicium

Microcavité Optique

Single photon source

Silicon Photonics

Optical Microcavity

Résumé

Les applications de la photonique quantique à la simulation et au calcul quantiques nécessitent une technologie évolutive, compacte et peu coûteuse pour un déploiement futur à grande échelle. La plateforme silicium sur isolant (SOI) est très attractive dans ce contexte, offrant la possibilité de mettre en œuvre un large panel de dispositifs intégrés pour la manipulation cohérente, le codage et la détection de photons uniques. Cependant, on ne dispose pas pour le moment de sources capables de fournir à la demande des photons uniques indiscernables sur puce silicium. Ce manque augmente la complexité des puces photoniques quantiques et limite à la fois leurs performances et leur potentiel en vue de l'augmentation future du nombre de Qubits photoniques (« passage à l'échelle »). Dans ce contexte, l'observation du dégroupement de photons pour des centres colorés isolés dans du silicium implanté [1], rapportée pour la première fois en 2020 par L2C Montpellier, PHELIQS et leurs collaborateurs, pourrait changer la donne. Elle montre en effet que l'émission spontanée d'un tel centre coloré peut être utilisée pour générer un photon unique à la demande. De nombreux laboratoires dans le monde ont lancé des activités sur des centres colorés du Si, notamment l'Université de Dresde, l'Université de Berkeley, le MIT, l'UBC Vancouver et la TU Delft, entre autres. Jusqu'à présent, l'accent a été mis sur les défauts G et T liés au carbone en raison de leur degré de liberté de spin adressable optiquement. Cependant, dans le contexte des sources de photon unique, ces centres souffrent respectivement d'un faible rendement quantique (<10%) et d'une durée de vie de l'état excité très longue (1 microseconde). En 2022, L2C, PHELIQS et leurs partenaires ont mis en avant les atouts spécifiques du centre W, un défaut formé par l'implantation d'ions Si dans le SOI et constitué d'un amas de trois interstitiels Si [2]. Le centre W affiche une raie proéminente à phonon zéro (ZPL) à environ 1,22 µm (facteur de Debye- Waller d'environ 0,4), un dipôle optique unique orienté avec précision le long de l'axe cristallin (111) de Si, un comportement de dégroupement de photons quasiment parfait (g( 2)(0)<0,05), une grande efficacité quantique (>0,6) et une durée de vie de l'état excité relativement courte (30 ns). Ces propriétés sont obtenues à température cryogénique (T<30K), ce qui ne constitue pas une réelle contrainte dans le contexte de la photonique quantique intégrée, car les détecteurs sur puce à haut rendement sont des détecteurs de photons uniques à nanofils supraconducteurs (SNSPD) fonctionnant autour de 2K. Pour obtenir une source déterministe de photons uniques indiscernables (SISP), l'atome artificiel doit être intégré dans une cavité optique afin de contrôler son émission spontanée, une stratégie qui a été très efficace pour la SISP à boîtes quantiques. Dans le régime de couplage faible de l'électrodynamique quantique en cavité, l'effet Purcell devrait améliorer quatre propriétés clés pour un centre coloré en cavité : 1) son efficacité quantique (l'émission spontanée devenant beaucoup plus rapide que les canaux non radiatifs) ; 2) son facteur de Debye-Waller (l'émission exaltée de la raie à zéro phonon devenant beaucoup plus rapide que les processus assistés par phonons) ; 3) le coefficient de couplage de l'émission spontanée à un mode de cavité discret (qui s'approche de un); 4) la cohérence et l'indiscernabilité des photons émis (car la recombinaison radiative devient plus rapide que les processus de déphasage). Comme première étape importante dans cette direction, PHELIQS a rapporté en 2023 l'observation de l'effet Purcell pour des ensembles de centres colorés W dans des cavités « Bullseye », confinées par des réseaux de Bragg circulaires [3]. L'effet Purcell se révèle à la fois par une forte augmentation du signal collecté pour la raie à zéro phonon des centres et par une accélération de la relaxation de l'émetteur (x2) lorsque la ZPL est en résonance avec le mode cavité. Cependant, l'exaltation du taux d'émission spontanée par les cavités « Bullseye » n'est pas assez forte (Fp = 12 au maximum) pour atteindre le régime d'indiscernabilité des photons. De plus, l'étude des centres colorés uniques dans les guides d'ondes photoniques ou les microcavités SOI en est encore à ses balbutiements. Jusqu'à présent, les systèmes couplés n'ont été obtenus que par hasard, en fabriquant des cavités à des emplacements aléatoires sur une plaquette SOI contenant des centres colorés à base de carbone. Une approche radicalement différente est nécessaire pour construire une SISP sur une puce photonique SOI de manière déterministe, en vue d'une future intégration de nombreuses SISPs identiques sur une puce. Dans ce contexte en rapide évolution, ce projet de thèse visera à dévoiler tout le potentiel des centres W pour la photonique quantique intégrée en quatre étapes : 1) Conception, fabrication et optimisation d'une microcavité à haut Fp sur plaquette SOI. L'étudiant concevra une cavité à cristal photonique à Fp élevé couplée à un guide d'onde de sortie, à l'aide d'un logiciel commercial FDTD (simulation dans le domaine temporel par différences finies). Il ciblera la longueur d'onde d'émission de la ZPL de W et recherchera le meilleur compromis entre une extraction efficace vers le mode de sortie et une grande exaltation de la ZPL par effet Purcell. Il contribuera à la nanofabrication des cavités au sein de la salle blanche PTA à partir de plaques SOI vides ou de plaques contenant un ensemble de centres W. Grâce à la spectroscopie optique, il sondera la longueur d'onde de résonance et le facteur de qualité Q du mode de la cavité. Une comparaison des Q mesurés pour les deux échantillons permettra de déterminer si l'implantation induit une perte optique parasite dans le résonateur. Dans un tel cas, la conception sera modifiée de manière à minimiser leur impact néfaste sur les performances attendues de la SISP. Nous espérons obtenir des cavités avec un facteur Purcell géant supérieur à 500, lorsque le mode est en résonnance avec l'émission ZPL de W. 2) Centres W uniques dans les cavités et les guides d'ondes : PHELIQS et le CEA Léti développent une méthode permettant la fabrication de quelques (1-3) centres W à un emplacement bien défini (précision de positionnement meilleure que 50 nm). Cette méthode combine l'implantation d'ions Si dans des plaquettes SOI à travers un masque comprenant des nanotrous définis par lithographie par faisceau d'électrons, et une étape de recuit thermique. PHELIQS collabore également avec l'INL Lyon sur une approche alternative, basée sur l'implantation d'un système de faisceaux d'ions focalisés. Des résultats très encourageants ont été obtenus récemment et nous espérons que les deux méthodes seront pleinement maîtrisées au printemps 2025. Dès que des cavités Fp élevées seront disponibles, nous intégrerons des centres W uniques à l'intérieur de ces cavités, de manière déterministe. Nous partirons d'une plaquette SOI comprenant un réseau de spots bien séparés contenant quelques centres W et des marqueurs de référence. Une caractérisation préalable utilisant la spectroscopie de corrélation de photons nous indiquera quels spots contiennent un seul centre W et ses coordonnées par rapport aux marqueurs de référence. Des microstructures photoniques (guides d'ondes d'abord, cavités à haut Fp ensuite), seront fabriquées de manière déterministe, à la bonne position, et avec la bonne orientation par rapport au dipôle du centre W. Nous nous attendons à observer une collecte efficace de photons uniques dans le cas de guides d'ondes et une exaltation géante de l'émission ZPL par effet Purcell lorsque un centre W unique sera idéalement placé à l'intérieur d'une cavité à Fp élevé. 3) Évaluation des performances de cette SIPS L'étudiant évaluera les principaux avantages de ce SIPS intégré : la pureté des photons uniques grâce aux expériences de Hanbury Brown et Twiss et l'indiscernabilité des photons émis successivement en fonction du délai entre les deux événements d'émission. Cette dernière expérience nécessitera d'adapter notre banc de spectroscopie de microphotoluminescence en y adjoignant une nouvelle branche dédiée à l'interférométrie de Hong-Ou-Mandel. L'efficacité de la source (probabilité d'obtenir un seul photon dans le guide d'onde de sortie pour une impulsion d'excitation donnée) sera également estimée avec précision. 4) Expérience d'optique quantique entièrement intégrée sur SOI PHELIQS développe avec le LETI-DOPT (dans le cadre du projet PEPR OQULUS) des détecteurs de photons uniques à nanofils supraconducteurs (SNSPD) très efficaces sur guides d'ondes SOI. A la fin de ce projet de thèse, nous intégrerons sur une même puce SOI une SISP, un séparateur de faisceau et deux SNSPD pour réaliser une expérience HBT entièrement intégrée. Cette démonstration de principe mettra en évidence la compatibilité totale des SISP à centre W, des circuits photoniques SOI et des SNSPD pour la photonique quantique intégrée. [1] W. Redjem et al, Nature Electron. 3, 738 (2020), A. Durand et al, Phys. Rev. Lett. 126, 083602 (2021) [2] Y. Baron et al, ACS Photonics 9, 2337 (2022) [3] B. Lefaucher et al, ACS Photonics 11, 24 (2024)

Applications of quantum photonics to quantum simulation and computing require a scalable, compact and low-cost technology for future widespread deployment. The silicon-on-insulator (SOI) platform is a highly attractive in this context, offering the possibility to implement a large panel of integrated devices for the coherent manipulation, encoding and detection of single photons. However, sources being able to deliver on demand indistinguishable single photons in silicon are not yet available. This lack increases the complexity of quantum photonic chips and limits both their performances and their potential for scalability. In this context, the observation of photon antibunching for isolated color centers in implanted silicon [1], reported first in 2020 by L2C Montpellier, PHELIQS and coworkers, could be a game changing advance. It shows indeed that the spontaneous emission of such a color center can be used to generate a single photon on demand. Numerous laboratories worldwide have started activities on isolated Si color centers including U. Dresden, U. Berkeley, MIT, UBC Vancouver and TU Delft among others. Until now, emphasis has been put on carbon-related defects G and T due to their optically-addressable spin degree of freedom. However, in the context of single-photon sources, these centers suffer respectively from a low quantum efficiency (<10%) and a µs-long excited state lifetime. In 2022, L2C, PHELIQS and partners have highlighted the specific assets of the W center, a defect that is formed by implanting Si ions in SOI and is made of a cluster of three Si interstitials [2]. The W center displays a prominent zero-phonon line (ZPL) at around 1.22 µm (Debye-Waller factor around 0.4), a single optical dipole precisely oriented along (111) or equivalent crystalline directions of Si, a perfect antibunching behavior (g(2)(0)<0.05), a large quantum efficiency (>0.6) and relatively short excited-state lifetime (30 ns). These properties are obtained at cryogenic temperature (T<30K), which is not a real constraint in the context of integrated quantum photonics, as high-efficiency on-chip detectors are superconducting nanowire single photon detectors (SNSPD) operating around 2K. To get a deterministic source of indistinguishable single photons (SISP), the artificial atom must be embedded in an optical cavity so as to engineer its spontaneous emission, a strategy that has been highly successful for quantum dot SISP. In the weak coupling regime of CQED for a single color center in a SOI cavity, the Purcell effect is expected to improve four key properties: 1) the quantum efficiency (spontaneous emission becoming much faster than non-radiative channels); 2) the Debye-Waller factor (enhanced zero-phonon emission becoming much faster than phonon-assisted processes); 3) the single-mode spontaneous emission coupling factor; 4) the coherence and indistinguishability of emitted photons (as radiative recombination becomes faster than dephasing processes). As a first important step in this direction, PHELIQS has reported in 2023 the observation of the Purcell effect for ensembles of W color centers in “Bullseye” cavities, confined by circular Bragg gratings [3]. The Purcell effect is revealed by both a selective enhancement of the collected ZPL emission and an acceleration of the emitter's relaxation (x2) when the ZPL is in resonance with the cavity mode. However, the Purcell enhancement provided by “Bullseye” cavities is not strong enough (Fp =12 at most) to reach the regime of photon indistinguishability. Additionally, the study of single Si color centers in SOI photonic waveguides or microcavities is still in infancy. Until now, coupled systems have only been obtained by chance, based on the fabrication of cavities at random locations on a SOI wafer containing carbon-based color centers. A radically different approach is necessary to build SISP on a SOI photonic chip in a deterministic fashion, in view of a future integration of many identical SISPs on a chip. In this fast evolving context, this PhD project will aim at unveiling the full potential of W centers for integrated quantum photonics in four steps : 1) Design, fabrication and optimization of a high-Fp microcavity on a SOI wafer The student will design a high-Fp photonic crystal cavity coupled to an output ridge waveguide using a FDTD (finite-difference time-domain simulation) commercial software. He will target the emission wavelength of W's ZPL and will search for the best trade-off between efficient out-coupling and large Purcell acceleration of ZPL emission. He will contribute to the nanofabrication of the cavities at the PTA clean-room starting from both bare SOI wafers or wafers containing an ensemble of W centers. Using optical spectroscopy, he will probe the resonance wavelength and the quality factor Q of the cavity mode. A comparison of measured Qs for both samples will permit probing whether implantation induces parasitic optical losses in the resonator. In such a case, the design will be modified so as to minimize their detrimental impact of the expected performances of the SISP. We expect to obtain cavities with a giant Purcell factor above 500, matched to W's ZPL emission. 2) Single W centers in cavities and waveguides PHELIQS and CEA Léti are developing a method enabling the fabrication of few (1-3) W centers at a well-defined location (accuracy in positioning better than 50 nm). This method combines implantation of Si ions in SOI wafers through a mask comprising nanoholes defined by electron-beam lithography, and a thermal annealing step. PHELIQS collaborates also with INL Lyon on an alternative approach, based on implantation with a focused ion beam system. Very encouraging results have been recently obtained, and we expect both methods to be fully mastered in spring 2025. As soon as high Fp-cavity become available, we will integrate single W centers inside such cavities, in a deterministic way. We will start from a SOI wafer comprising an array of well-separated spots containing few W centers and reference markers. Prior characterization using photon correlation spectroscopy will tell us which spots contain a single W center and its coordinates with respect to reference markers. Photonic microstructures (waveguides first, high Fp cavities next), will be fabricated in a deterministic way, at the right position, and with the right orientation with respect to the dipole of the W center. We expect to observe efficient single photon collection in the case of waveguides and a giant Purcell enhancement for a single W ideally placed inside a high-Fp cavity. 3) Evaluating the performances of this novel SIPS The student will evaluate the main figures of merits of this integrated SIPS : the single photon purity through Hanbury Brown and Twiss experiments and the indistinguishability of subsequently emitted photons as a function of delay between the two emission events. The latter will require to build a novel part on our set-up dedicated to Hong-Ou-Mandel interferometry. The source efficiency (probability to get a single photon in the output waveguide for a given excitation pulse) will be also precisely estimated. 4) Fully integrated quantum optics experiment on SOI PHELIQS develops with LETI-DOPT (in the framework of the PEPR OQULUS project) highly efficient superconducting nanowire single photon detectors (SNSPDs) on SOI waveguides. At the end of this PhD project, we will integrate on the same SOI chip a SISP, a beam splitter and two SNSPDs, and will perform a fully-integrated HBT experiment. This proof-of-principle experiment will highlight the full compatibility of W-center SISPs, SOI photonic circuits and SNSPDs for integrated quantum photonics. [1] W. Redjem et al, Nature Electron. 3, 738 (2020), A. Durand et al, Phys. Rev. Lett. 126, 083602 (2021) [2] Y. Baron et al, ACS Photonics 9, 2337 (2022) [3] B. Lefaucher et al, ACS Photonics 11, 24 (2024)