Non-cryogenic on-chip single photon source based on semiconductor quantum dot

Les sources de photons uniques (SPU) sont essentielles pour les communications quantiques et l'informatique quantique. Les systèmes qui utilisent des boîtes quantiques (BQs) sont particulièrement intéressants car ils permettent d'émettre, à la demande, un photon et un seul, ce qui en fait des candidats idéaux pour la génération de qubits dans les protocoles de distribution de clés quantiques. L'intégration de sources quantiques dans les circuits photoniques est une étape clé vers des technologies quantiques « prêtes à l'emploi ». Cependant, les SPU les plus performantes (BQs III-V) ne fonctionnent qu'à des températures cryogéniques, ce qui constitue un obstacle majeur pour une mise en œuvre pratique. En revanche, les BQs à base de CdSe (II-VI) fonctionnent à 300K et émettent dans les longueurs d'ondes visibles (bleu-vert), ce qui permet une communication longue distance en espace libre dans l'eau et dans l'air.Cette thèse vise à développer une SPU sur puce, capable de fonctionner à des températures non cryogéniques. La source est constituée d'une BQ de CdSe intégrée dans un nanofil conique en ZnSe, réalisé par épitaxie par jets moléculaires sur un substrat de GaAs (111)B où des motifs ont été gravés. La géométrie du nanofil améliore l'extraction de la lumière en agissant comme un guide d'onde monomode, tandis que la forme conique de la coquille améliore le contrôle de l'émission en espace libre.Nous avons étudié les performances optiques de l'émetteur à température ambiante, obtenant une brillance prometteuse de 0,17 photons par impulsion laser et un comportement d' "antibunching" avec g²(0) < 0,3 pour une fenêtre spectrale réduite. Cependant, le spectre d'émission à 300K présente des raies larges qui se chevauchent, ce qui conduit à un compromis entre la brillance et la pureté. À 6K, nous avons utilisé un filtre à larges bandes pour capturer entièrement les raies excitoniques et avons mesuré directement le taux photons collecté au niveau du détecteur. En outre, nous avons observé un fort "antibunching" avec une excitation par cathodoluminescence.Les phonons ont un impact important sur les performances de l'émetteur aux températures élevées, où les raies sont larges et se chevauchent, et à des températures cryogéniques, où ils réduisent l'indiscernabilité des photons. Nous présentons une méthode pour extraire la température locale de l'émetteur sans le besoin d'un étalonnage. Nous avons utilisé cette technique pour étudier les effets d'échauffement induits par une excitation non résonnante. De plus, nous avons analysé les mécanismes d'élargissement de raies, des températures cryogéniques jusqu'à la température ambiante. Une extension du modèle de Huang-Rhys est développée pour décrire analytiquement les interactions entre excitons et phonons acoustiques, en tenant compte des processus multi-phonons. Le modèle est appliqué aux spectres d'émission de la BQ pour des températures variant de 6K à 300K en utilisant les paramètres obtenus à partir de données à basse température.La forme conique du nanofil est également un avantage pour l'intégration de la source dans un circuit photonique, permettant un couplage efficace par évanescence lorsque l'émetteur est positionné sur un guide d'onde. Le transfert direct sur des guides d'ondes préfabriqués à l'aide de micromanipulateurs est très difficile en raison de la petite taille du guide d'onde et du fil aux longueurs d'ondes dans le domaine du visible. Nous avons mis au point une nouvelle approche, dans laquelle l'émetteur est déposé dans une large zone, puis protégé dans une résine, qui sert de masque pendant la gravure des guides d'ondes. Cette méthode réduit considérablement la précision requise lors de la micro-manipulation et ouvre de nouvelles perspectives. Nous avons utilisé des simulations numériques pour appuyer la conception et la fabrication du système en vue d'un couplage optimal.