A quantum dot in a photonic wire : spectroscopy and optomechanics

par Inah Yeo

Thèse de doctorat en Physique de la matière condensée et du rayonnement

Sous la direction de Jean-Philippe Poizat et de Jean-Michel Gérard.

Soutenue le 24-10-2012

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Institut Néel (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Antoine Heidmann.

Le jury était composé de Jean-Philippe Poizat, Jean-Michel Gérard, Armando Rastelli.

Les rapporteurs étaient Isabelle Robert-Philip, Sebastien Sauvage.

  • Titre traduit

    Une boite quantique dans un fil photonique : spectroscopie et optomécanique


  • Résumé

    Dans cette thèse, nous avons étudié les propriétés optiques de boîtes quantiques InAs/GaAs contenues dans un fil photonique. Des résultats antérieurs à cette thèse ont montré que ces fils photoniques permettent d’extraire les photons avec une efficacité très élevée.Le premier résultat original de ce travail est l’observation de la dérive temporelle de la raie d’émission de la photoluminescence d’une boîte quantique. Cet effet a été attribué à la lente modification de la charge de surface du fil due à l’absorption des molécules d’oxygène présentes dans le vide résiduel du cryostat. Nous avons montré qu’une fine couche de Si3N4 permettait de supprimer cette dérive. La dérive temporelle pouvant être différente pour différentes boites quantiques, nous avons pu tirer partie de cet effet pour mettre en résonance deux boites quantiques contenues dans le même fil.Le deuxième résultat original est la mise en évidence de la modification de l’énergie d’émission d’une boîte quantique soumise à une contrainte mécanique induite par la vibration du fil. Nous avons observé que le spectre de la raie d’émission d’une boîte quantique s’élargit considérablement lorsque le fil est mécaniquement excité à sa fréquence de résonance. A l’aide d’une illumination stroboscopique synchronisée avec l’excitation mécanique, nous avons pu reconstruire l’évolution du spectre d’une boîte quantique au cours d’une période de la vibration mécanique. L’amplitude de l’oscillation spectrale de la raie de luminescence dépend de la position de la boîte dans le fil à cause d’un très fort gradient de contrainte. En utilisant deux modes d’oscillation mécanique de polarisations linéaires et orthogonales, nous pouvons extraire une cartographie complète de la position des boîtes quantiques à l’intérieur du fil. Enfin, grâce à ce gradient, on peut, dans certains cas, trouver une position du fil pour laquelle deux boites quantiques peuvent être amenées en résonance.


  • Résumé

    In the framework of this thesis, single InAs/GaAs quantum dot devices were studied by optical means. Starting with a general description of self-assembled InAs QDs, two types of single QD devices were presented. The first approach was a tapered GaAs photonic wire embedding single InAs QDs whose efficiency as a single photon source was previously shown to be 90%. We investigated several optical properties of the single QDs. The charged and neutral states of the QD were identified and selectively excited using quasi-resonant excitation.The first original result of this thesis is the observation of a continuous temporal blue-drift of the QD emission energy. We attributed this blue drift to oxygen adsorption onto the sidewall of the wire, which modified the surface charge and hence the electric field seen by the QD. Moreover, we demonstrated that a proper coating of the GaAs photonic nanowire surface suppressed the drift. The temperature effect on this phenomenon revealed an adsorption peak around 20K, which corresponds to the adsorption of oxygen on GaAs. This observation is in good agreement with previous temperature studies with a tapered photonic wire. This was the first study of the spectral stability of photonic wires embedding QDs, crucial for resonant quantum optics experiments. As an alternative, we took advantage of this temporal drift to tune QD emission energies. In a controlled way, we tuned into resonance two different QDs which were embedded in the same photonic nanowire. In the last part of this work, we studied the influence of the stress on single QDs contained in a trumpet-like GaAs photonic wire. The main effect of stress is to shift the luminescence lines of a QD. We applied the stress by exciting mechanical vibration modes of the wire. When the wire is driven at its the mechanical resonance the time-integrated photoluminescence spectrum is broaden up to 1 meV owing to the oscillating stress, The measured spectral modulation is a first signature of strain-mediated coupling between a mechanical resonator and embedded QD single light emitter. With a stroboscopic technique, we isolated a certain phase of the oscillating wire and thereby selected a value of QD emission energies. As a highlight of our study, we managed to bring two different QDs contained in the same wire into resonance by controlling their relative phase. In addition, we could extract the 2D spatial positioning of embedded QDs from the spectral shifts observed for two orthogonal mechanical polarizations.. The investigation of the strain-mediated tuning of QDs can, therefore, be an effective tool to explore the QD positions without destroying the sample.


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