Contrôle dynamique de l'émission spontanée de boîtes quantiques par commutation ultrarapide de microcavités optiques

par Sylvain Perret

Projet de thèse en Physique des materiaux

Sous la direction de Jean-Michel Gérard et de Joël Bleuse.

Thèses en préparation à l'Université Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec PHotonique, ELectronique et Ingéniérie QuantiqueS (laboratoire) depuis le 01-09-2020 .


  • Résumé

    Grâce au développement de l'optique quantique, on sait qu'il est possible de contrôler les propriétés optiques d'un émetteur de lumière, en modifiant son environnement électromagnétique. Par exemple, en le plaçant dans une microcavité optique ("boîte à photons" à modes électromagnétiques discrets), on peut augmenter ou réduire dans une très large mesure son taux d'émission spontanée. Jusqu'ici, ces expériences ont été réalisées dans le régime "statique", pour lequel le couplage entre l'émetteur et la cavité optique ne change pas à l'échelle du temps d'émission d'un photon. Notre équipe a récemment montré qu'on peut changer en quelques picosecondes la fréquence des modes résonants d'une microcavité optique en injectant optiquement des paires électron-trou. Ce travail de thèse visera à utiliser pour la possibilité nouvelle pour contrôler en temps réel le taux d'émission spontanée de boîtes quantiques. Le/la doctorant(e) commencera par étudier et optimiser des microcavités optiques semiconductrices dont la fréquence des modes résonnant est modifiée de façon réversible et à l'échelle de 10 ps via une par excitation optique. Ensuite, il/elle appliquera ces cavités au contrôle de l'émission de photon unique par une boîte quantique semiconductrice. En jouant sur l'accord spectral émetteur-cavité, il/elle montrera qu'il est possible de modifier la dynamique de l'émission spontanée, à une échelle de temps très inférieure au temps typique d'émission d'un photon et de contrôler l'enveloppe temporelle du photon unique. Il/elle pourra appliquer dans un second temps la commutation ultrarapide de cavités à la translation de fréquence (changement de couleur !) de photons uniques. Ces deux objectifs constituent des enjeux majeurs pour le développement de la photonique quantique. Notre équipe NPSC a une position de pointe dans le domaine de la nanofabrication de microstructures photoniques et la commutation ultrarapide de microcavités. Le doctorant sera fortement impliqué dans la conception et la fabrication des microcavités optiques au sein de la plate-forme technologique amont (PTA) de Grenoble. Il conduira par ailleurs les études de spectroscopie optique sur un banc de microphotoluminescence résolue en temps à l'échelle picoseconde.

  • Titre traduit

    Dynamic control of quantum dot spontaneous emission using the ultrafast switching of optical microcavities


  • Résumé

    Thanks to the development of Quantum Optics, it is know well known that the optical properties of a light emitter can be controlled through a modification of its electromagnetic environment. For instance, by inserting it inside an optical microcavity ("photon box" sustaining discrete resonant modes), on can increase or reduce to a large extent its spontaneous emission rate. Until now however, such experiments have only been realized in the static regime, i.e the coupling between the emitter and the cavity does not change on the time scale of the emission of one photon. Our team has recently shown that one can change to a large extent the frequencies of resonant cavity modes within few picoseconds. This Phd project will aim at taking full benefit of this novel capacity to demonstrate a dynamic control of quantum cavity effets. The PhD will first design, and fabricate on the Grenoble advanced nanofabrication facility (PTA) specific optical microcavities. He/she will study cavity switching events with a unique optical setup enabling exploration on the picosecond time-scale. Next, he/she will implement such cavities to control the spontaneous emission of semiconductor quantum dots. By playing with the emitter/cavity frequency detuning, he/she will show that one can tailor their spontaneous emission rate on a few 10-ps time scale, and to shape the temporal envelope of a single photon emitted by a single quantum dot. In a third step, he/she will use ultrafast cavity switching to translate the frequency of single photon (“color change” experiments). Shaping single-photon temporal envelopes and frequency translation are both key capabilities, yet undemonstrated, for quantum photonics.