Composant d’optique quantique avancée basé sur un fil photonique – WIFO

Le couplage d'un émetteur unique avec un seul mode spatial d'un champ électromagnétique propagatif est un élément clé pour produire efficacement des états quantiques de la lumière et obtenir des non-linéarités géantes à l'échelle du photon unique. Ce système est connu sous le nom d' "atome unidimensionnel", et est habituellement réalisé avec des structures photoniques résonantes comme des microcavités de type micropiliers ou cristal photonique. Ces approches particularisent une fréquence donnée. Le présent projet concerne une boîte quantique insérée dans un fil photonique. Ce composant est largement indépendant de la fréquence, rendant possible le couplage efficace de l'émetteur avec deux modes d'énergies différentes. A terme, ce projet permettra la production de paires de photons intriqués, et la réalisation de non-linéarités géantes à deux modes applicables aux portes logiques quantiques.

Un fil photonique contenant une boîte quantique semi-conductrice a été utilisé récemment par un des partenaires pour réaliser la source de photons uniques la plus efficace jusqu'à présent. Il a été montré que plus de 90% des photons sont émis dans le mode guidé et 72% collectés dans l'ouverture numérique de 0.75 de l'optique, réalisant ainsi un atome unidimensionnel prometteur. Une propriété remarquable de ces fils photoniques est que leurs performances sont maintenues sur une plage spectrale de 70 nm autour de la longueur d'onde centrale de 950 nm. En conséquence, toutes les transitions émettant dans cette bande de fréquence vont bénéficier de cette extraction photonique quasi unidimensionnelle. Par exemple, les transitions excitoniques et biexcitoniques pourront être excitées toutes les deux de façon résonante, et les photons pourront être collectés efficement aux collectées toutes les deux de manière efficace.

Ce projet repose sur l'efficacité record et indépendante de la fréquence de ces fils photoniques contenant une boîte quantique InAs/GaAs. Un des objectifs du projet est de réaliser une source très efficace de paires de photons intriqués en polarisation. En effet, comme les transitions excitoniques et biexcitoniques peuvent être extraites toutes les deux de manière efficace, une efficacité de production de paires de plus de 0.72*0.72=0.52 est attendue, améliorant l'état de l'art de plus d'un facteur quatre. Le second objectif principal est d'exploiter la possibilité d'exciter de façon résonante deux transitions différentes de la boîte quantique. Premièrement, nous préparerons une boîte quantique dans une inversion de population pour mettre en évidence l'émission stimulée à l'échelle du photon unique de cet objet individuel. Deuxièmement, nous réaliserons des non-linéarités géantes à deux modes à l'échelle du photon unique. Cela permettra la réalisation d'un transistor optique à un photon, pour lequel la propriété d'un photon de contrôle peut changer la transmission d'un photon signal.