Sources nanophotoniques quantiques intégrées non-conventionnelles – UNIQ

L'intégration de sources quantiques fiables sur puce photonique est aujourd'hui au cœur d'intenses recherches en optique quantique. Les voies classiques pour réaliser des sources à photon unique reposent soit sur des technologies boîtes quantiques III-V soit sur des effets non linéaires optiques (mélange à quatre ondes) dans des dispositifs photoniques sur silicium. La première approche requiert des températures cryogéniques, et son intégration sur puce de silicium dans la bande de télécommunications optiques reste un défi majeur. La seconde fonctionne à température ambiante. Mais, même si leur efficacité peut être améliorée par le multiplexage spatial, la compacité et la scalabilité restent des questions ouvertes.

UNIQ propose un nouvelle voie pour la génération de photons uniques et de photons corrélés en utilisant des matériaux semi-conducteurs III-V dans des nanocavités optiques. En essence, notre projet est consacré à la réalisation de sources à photons corrélés non conventionnelles basées sur des interactions non linéaires dans des nanocavités couplées avec quelques photons. Contrairement aux sources conventionnelles basées sur un couplage déterministe des modes de cavité à des boîtes quantiques et fonctionnant à des températures ultra-faibles, les sources UNIQ permettront d'atteindre des corrélations quantiques avec quelques photons à l'aide de non-linéarités à température ambiante à partir de puits quantiques ou du «bulk» dans des nanocavités couplées. De telles capacités reposeront sur deux paradigmes récents: i) la génération de photons uniques à partir d’un mécanisme non conventionnel de blocage de photons («Unconventional Photon Blockade», UPB); ii) des transitions non linéaires avec un faible nombre de photons, comme la brisure spontanée de symétrie («Sponataneous Symmetry Breaking», SSB). Ces deux mécanismes résultent de l'interaction entre les non-linéarités optiques de troisième ordre et la dynamique de photons dans des cavités optiques.

Dans l’UPB, des non-linéarités faibles sont combinées avec l’effet tunnel photonique pour produire la suppression des états multi-photons. Par conséquent, un fort «antibunching» des photons a été prédit. D'autre part, la SSB donne lieu à une forte localisation des photons, comme démontré récemment dans des nanolasers couplés. Dans ce cas, les non-linéarités sont fortes: le décalage non linéaire de la fréquence suffit à surmonter le dédoublement modal dû au couplage. Ceci a été démontré avec seulement 100 photons intracavité, ce qui peut encore être réduit en augmentant le facteur d'émission spontanée des nanocavités. Ainsi, de fortes corrélations photoniques sont prédites théoriquement entre les photons émis par les deux cavités en SSB.

La plate-forme photonique à utiliser est constituée de nanocavités couplées à cristaux photoniques. Ceci ouvre un large espace de paramètres afin de réunir en un seul système un couplage optique adapté, de grands facteurs de qualité, des volumes modaux ultra-petits, une grande efficacité de couplage et enfin des facteurs d'émission spontanée élevés. Une telle plate-forme est non seulement compatible avec l'intégration des dispositifs sur puce photonique, mais également avec un faible encombrement spatial ou «footprint» ainsi qu’avec la scalabilité.
Plus précisément, les briques de base seront des systèmes hybrides à crystal photoniques III-V sur silicium, compatibles avec l'intégration photonique dense sur puce CMOS.

Pour résumer, UNIQ est à la recherche de fonctionnalités quantiques avancées des nanosources III-V à l'interface entre l'optique quantique et la nanophotonique. Il rassemble des acteurs majeurs à niveau international dans le domaine de l'optique quantique (LKB et MPQ) et nanophotonique (LPN). UNIQ propose des développements technologiques innovants qui permettront à terme la réalisation de sources à photon unique à température ambiante dans la bande C des télécommunications optiques, avec un fort potentiel d'intégration.