Collecter les photons uniques grâce au couplage adiabatique entre guide d’onde et fibre optique
Les boîtes quantiques à base de matériaux semi-conducteurs ont démontré leurs potentialités remarquables pour les applications en information quantique, telles que l’émission brillante de photons uniques et indiscernables ou bien la réalisation de qubits que l’on peut initialiser, manipuler et lire à l’aide d’impulsions lumineuses. De nombreux défis restent encore à relever pour rendre leur utilisation robuste et réaliser des plateformes où plusieurs qubits seraient adressés et intriqués entre eux. Pour cela, plusieurs approches ont été proposées dans la littérature, notamment introduire les émetteurs dans des cavités photoniques pour augmenter l’interaction lumière-matière et coupler les nanostructures à des guides d’onde photoniques pour l’extraction efficace des photons. Des chercheurs de l’INSP en collaboration avec des collègues du C2N, ont montré que les photons émis par des boîtes quantiques (BQ) insérées dans des cavités à cristaux photoniques et couplées à des guides d’ondes, peuvent être collectés dans le plan par une fibre optique conique, grâce au couplage de mode évanescent entre le guide et la fibre.
Les cavités à cristaux photoniques, dites L3, sont réalisées par gravure ICP autour des BQ (Figure 1-a) pour un meilleur accord spatial. Pour cela la luminescence des boîtes quantiques est au préalable cartographiée de manière à déterminer leur position, qui suite à la croissance épitaxiale est aléatoire sur la surface . Les paramètres du cristal photonique sont calculés pour accorder au mieux le mode de la cavité à la longueur d’onde d’émission de la BQ. Ces deux points sont cruciaux pour obtenir un bon couplage avec la lumière. La cavité est couplée à un guide d’onde en cristal photonique, aboutissant à un guide en GaAs conique, dont le mode peut se coupler de manière évanescente à la fibre étirée que nous avons fabriquée. Dans les structures réalisées, le taux de couplage théorique est de 60%, valeur obtenue pour une longueur d’interaction égale à 2,5 µm.
Figure 1 (a) Image au MEB de la nanostructure réalisée au C2N. Une cavité couplée à un guide d’onde à cristal photonique aboutissant à un guide triangulaire est couplée dans le plan à une fibre étirée (b).
Les mesures de durée de vie ont permis d’estimer le facteur de Purcell, figure de mérite qui décrit comment la cavité accélère l’émission de photons . L’efficacité de la collection dans le plan a été estimée, en mesurant les intensités de la luminescence collectée d’une part, par un objectif de microscope au-dessus de la membrane et d’autre part, par la fibre optique dans le plan (Figure 2-c) . La collection par la fibre est augmentée d’un facteur 5 grâce au couplage guide d’onde-fibre optique, inférieure seulement d’un facteur 2,5 par rapport à la valeur théorique prévue. Pour caractériser davantage les propriétés d’émission des BQ, des mesures de corrélations de photons ont permis de montrer que l’unicité des photons était d’au-moins 83%.
Figure 2 (a) Schéma des chemins d’excitation par un objectif de microscope placé au-dessus de la membrane (cône rouge) et de collection de la luminescence par la fibre à l’intérieur du cryostat. La flèche indique la longueur d’interaction entre la fibre et le guide. (b) Mesure de corrélations de photons montrant que l’unicité des photons de 83%, légèrement dégradée par l’excitation à forte puissance.
La réalisation de mesures de corrélation de photons sous excitation résonnante améliorera la pureté de la source de photons uniques et constitue la prochaine étape à franchir pour démontrer une émission de photons uniques brillante couplée à des fibres optiques hors puce.
Une meilleure adaptation spatiale et spectrale de l’émetteur avec la cavité photonique permettra d’augmenter la fraction des photons émis par la BQ couplés au mode de cavité du cristal photonique et canalisés dans le guide à cristal photonique. Enfin, une efficacité de couplage adiabatique théorique proche de l’unité entre le guide d’onde conique en GaAs et une fibre optique étirée est prédite si la longueur de couplage entre ces deux éléments est augmentée de 2,5 μm dans notre cas, à 5 μm. Une telle efficacité de couplage est très intéressante pour la réalisation de sources de photons uniques couplées à une fibre optique pour des applications.
Référence
“Collecting single photons from a cavity-coupled quantum dot using an adiabatic tapered fiber“
Bach, A. Chapuis, C. Morin, R. Hostein, S. Germanis, B. Eble, M. Bernard, F. Margaillan, P. Atkinson, and V. Voliotis, K. Moratis, R. Braive
PHYSICAL REVIEW APPLIED 23, 044008 (2025)
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