Emission de lumière non-classique par des cavités à cristaux photoniques

Photonic crystal sources of non-classical states of light

• Auteur / Autrice : Alexandre Chopin
• Direction : Alfredo de Rossi, Isabelle Sagnes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 27/09/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....) - Thales Research and Technology (Palaiseau, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Kamel Bencheikh
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Serge Massar, Kartik Srinivasan, Matteo Galli, Pepijn Pinkse, Rosa Tualle-Brouri
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Serge Massar, Kartik Srinivasan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oscillateurs paramétriques optiques

Circuits intégrés photoniques

Cristaux photoniques

Mots clés libres

Photonique quantique

Nano-dispositifs

Oscillateur paramétrique optique

Nanodevices

Integrated quantum photonics

Optical Parametric Oscillator

Résumé

La photonique quantique intégrée promet d'amener l'optique quantique vers un dispositif pratique. L'objectif principal de ce domaine est d'atteindre une intégration évolutive pour diverses applications, notamment l'informatique quantique, la simulation, la communication et la détection. Dans un circuit quantique, des photons, qui portent l'état quantique, sont générés, manipulés à l'aide de composants linéaires et non linéaires, puis détectés. L'objectif de cette étude doctorale est de contribuer au développement de sources de lumière non classique efficaces et évolutives, pour la génération d'intrication, de photons uniques et d'états comprimés. À cette fin, nous introduisons une nouvelle classe de sources basée sur des résonateurs à cristaux photoniques (PhC) et nous démontrons des performances à l'état de l'art en termes d'efficacité et de « footprint ». Les cavités PhC ont été envisagées pour l'optique quantique sans toutefois atteindre des performances suffisantes. Par conséquent, les micro-disques et anneaux ont été couramment utilisés comme sources pour la photonique quantique intégrée.Encouragés par la démonstration des premières oscillations paramétriques optiques (OPO) utilisant une cavité à cristaux photoniques, nous avons exploré l'application potentielle de cette technologie dans le domaine de l'optique quantique. En dessous du seuil, l'OPO génère des paires de photons corrélées grâce à un processus paramétrique spontané, en particulier le mélange à quatre ondes spontané. Les OPO sont couramment utilisés pour générer des paires de photons intriqués et des états « squeezés ». Il est crucial que la cavité contienne trois modes equi-espacés qui correspondent aux fréquences des photons en interaction, car cela garantit une efficacité maximale.Deux géométries de cavités à cristaux photoniques ont été considérées : Nanobeam et Bichromatic, toutes deux constituées de phosphure d'indium-gallium. Le principal résultat est la génération ultra-efficace de paires de photons corrélés dans le temps. Cela confirme nos attentes fondées sur le seuil ultra-bas de l'OPO. En tenant compte de l'état de l'art, nous montrons que l'efficacité est proportionnelle au volume d'interaction dans la cavité. Par conséquent, l'origine de l'efficacité très élevée réside dans le volume très réduit des cavités à cristaux photoniques. De plus, cela implique également une « footprint » réduite sur la puce, ce qui favorise la « scalabilité ». Nous avons ensuite caractérisé davantage les propriétés des photons générés, notamment l'intrication temps-énergie, l'émission de photons uniques annoncés et l'émission de paires de photons en régime pulsé, une étape essentielle vers la démonstration de l'intrication dit « time-bin ». De plus, des étapes préliminaires ont été entreprises pour générer des états comprimés à deux modes. En outre, nous avons également étudié la dynamique classique au-dessus du seuil OPO en échantillonnant son espace de paramètres grâce à des mesures effectuées sur un grand nombre de dispositifs. Cela nous a permis d'établir une condition pour le fonctionnement de l'OPO, en accord avec un modèle mettant en avant le rôle limitant de l'absorption non linéaire. Nous avons également mis en évidence des instabilités potentielles dans le fonctionnement de l'OPO. Enfin, nous avons commencé à aborder la question de la « scalabilité » en réalisant une analyse statistique sur plus de 650 cavités afin d'étudier l'impact des tolérances de fabrication.Ainsi, nous avons démontré des sources quantiques à base de cavités à cristaux photoniques avec un niveau exceptionnel d'efficacité. Cela suggère une nouvelle approche prometteuse pour le développement de sources évolutives au sein des circuits quantiques intégrés.

Quantum integrated photonics promises to bring quantum optics into a practical device. The primary objective of this area is to achieve scalable integration for various applications, including quantum computing, simulation, communication, and sensing. In a quantum circuit, photons, which are carriers of the quantum state, are generated, manipulated with linear and nonlinear components, and detected. The goal of this doctoral study is to contribute to the development of efficient and scalable sources of non-classical states of light, e.g: entanglement, single photons, and squeezing. To this purpose, we introduce a novel class of sources based on photonic crystal (PhC) resonators, and we demonstrate state-of-the-art performance in terms of efficiency and footprint. PhC cavities have been considered for quantum optics without, however, achieving remarkable performances. Therefore, micro-disks and rings have been commonly used as sources for integrated quantum photonics. Encouraged by the successful demonstration of the first Optical Parametric Oscillations (OPO) using a PhC cavity, we explored the potential application of this technology in the field of quantum optics. Below the threshold, OPO generates correlated photon pairs through a spontaneous parametric process, specifically spontaneous Four-Wave Mixing (SFWM). In particular, OPOs have been commonly utilized for generating entangled photon pairs and squeezed states. It is crucial that the cavity contains three equispaced modes that match the frequencies of the interacting photons, as this ensures maximum efficiency. Two geometries of PhC cavities have been considered: Nanobeam and Bichromatic, both made of Indium Gallium Phosphide. The main result is the ultra-efficient generation of time-correlated photon pairs. This confirmed our expectations based on the ultra-low threshold of the PhC OPO. Considering the state-of-the-art, we show that efficiency scales with the interaction volume in the cavity. Therefore, the origin of the very large efficiency is the very small volume of the PhC cavities. Moreover, this also implies a much-reduced footprint on the chip, which helps scalability. We have further characterized the properties of the generated photons, in particular time-energy entanglement, heralded single photons, and the emission of photon pairs in time-bins, an essential step towards demonstrating time-bin entanglement. Additionally, preliminary steps towards the generation of two-mode squeezed states have been undertaken. Besides, we have also considered the classical dynamics above OPO threshold by sampling its parameter space by performing measurements on a large number of devices. This allowed us to set a condition for OPO operation in agreement with a model highlighting the limiting role of non-linear absorption. We also revealed potential instabilities in the OPO operation. Finally, we started to address the question of scalability by performing a statistical analysis of over 650 cavities to study the impact of fabrication tolerances. So, we have demonstrated PhC cavity quantum sources with an exceptional level of efficiency. This suggests a promising new approach for the development of scalable sources within quantum integrated circuits.