Thèse soutenue

Sources de photons uniques dans la bande télécom à base de nanofils III-V épitaxiées sur silicium
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Auteur / Autrice : Ali Jaffal
Direction : Nicolas Chauvin
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Electronique, Micro et Nanoélectronique, Optique et Laser
Date : Soutenance le 23/03/2020
Etablissement(s) : Lyon
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
Laboratoire : INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon, UMR5270 (Rhône)
Jury : Président / Présidente : Bruno Masenelli
Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Chauvin, Bruno Masenelli, Lucia Sorba, Maria Tchernycheva, Val Zwiller
Rapporteurs / Rapporteuses : Lucia Sorba, Maria Tchernycheva

Résumé

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Une source de photons uniques (SPU) dans la bande télécom, épitaxiées sur un substrat de silicium (Si), est le Saint Graal pour réaliser des dispositifs CMOS compatibles pour les technologies de l'information optiques. Pour atteindre cet objectif, nous proposons la croissance monolithique de Boîte Quantiques-Nanofils (BQ-NFs) InAs/InP sur des substrats de silicium par épitaxie par jet moléculaire (EJM) en utilisant la méthode vapeur-liquide-solide (VLS). Au début, nous avons concentré nos efforts sur l'optimisation des conditions de croissance afin d'obtenir une densité de NF ultra-faible sans effort avant ou après la croissance, ce qui nous permet d'exciter optiquement un seul BQ-NF sur l'échantillon tel qu'il a été épitaxiées et de préserver la croissance monolithique sur le silicium. Par la suite, nous avons porté notre attention sur l'amélioration de l'extraction de la lumière de la BQ InAs du guide d'onde InP NF vers l'espace libre pour obtenir une source lumineuse avec un profil d'émission en Champ Lointain (CL) gaussien afin de coupler efficacement les photons individuels à une fibre optique monomode. Cela a été réalisé en contrôlant la géométrie de NF pour obtenir des NFs en forme d'aiguille avec un très petit angle de conicité et un diamètre de NF adapté pour supporter un guide d'onde monomode. Une telle géométrie a été produite avec succès en utilisant un équilibre induit par la température sur les croissances axiale et radiale pendant la croissance des NFs catalysée par l'or. Des mesures optiques ont confirmé la nature mono-photonique des photons émis avec g2(0) = 0,05 et un profil d'émission gaussien en CL avec un angle d'émission θ = 30°. Pour obtenir des performances optimales, nous avons ensuite abordé une question cruciale dans cette géométrie de NF représentée par l'état de polarisation inconnu des photons émis. Pour résoudre ce problème, une solution consiste à intégrer un seul BQ dans un NF avec une section asymétrique optimisée pour inhiber un état de polarisation et améliorer l'efficacité d'émission de l'autre. Une stratégie de croissance originale a été proposée, permettant d'obtenir des photons à haut degré de polarisation linéaire parallèle à l'axe allongé des NFs asymétriques. Enfin, l'encapsulation des BQ-NFs dans des guides d'ondes en silicium amorphe (a-Si) a ouvert la voie à la production des dispositifs des SPU entièrement intégrés sur Si dans un avenir proche.