Study of a solid state single mode single photon source formed by a semi-conductor quantum dot inside an optical microcavity
Etude d'une source solide monomode de photons uniques constituée par une boîte quantique semi-conductrice dans une microcavité optique
Résumé
The development of single photon sources is of fundamental concern in the field of quantum information processing. In this work we study the first single photon source based on the implementation of a quantum dot inside a pillar microcavity. We first study the microphotoluminescence properties of a single quantum dot and we identify the main emission lines (X and XX, associated to the exciton and biexciton states). The generation of quantum states of light (antibunching) is demonstrated on this emitter by photon correlation experiments on the X line (and also XX line), under pulsed and continuous excitation. Cross-correlation experiments between X and XX lines provide strong evidence of the generation of pairs of photons correlated in time. We then demonstrate quantum cavity electrodynamics effects in solid state by placing a quantum dot on resonance with the fundamental mode of a micropillar. A shortening of the lifetime of this emitter by a factor at least equal to 3 suggests that, due to the Purcell effect, most of the photons are collected into the same single mode. The polarization of the emitted photons can be controlled by using elliptical micropillars. For the first time, we underline the importance of extrinsic cavity losses due to diffusion by sidewalls roughness. Taking into account this effect leads to novel rules for the design of micropillars. The single photon source realized has a probability of collecting one photon per pulse close to 40% and a probability of emitting more than one photon equal to 1%. At last, correlation experiments in function of temperature show a moderate degradation of the antibunching behavior with temperature suggesting the operation of the source at 100 K.
Le développement de sources de photons uniques est un enjeu majeur dans le domaine du traitement quantique de l'information. Dans ce travail de thèse nous étudions la première source solide de photons uniques, obtenue par l'intégration d'une boîte quantique dans une microcavité en forme de pilier. Nous étudions d'abord les propriétés de microphotoluminescence d'une boîte quantique unique et identifions les principales raies d'émission (X et XX, associées aux états exciton et biexciton). La génération d'états quantiques de la lumière (émission de photons dégroupés) est mise en évidence sur ce même émetteur par des expériences d'auto-corrélation sur la raie X (ainsi que XX), sous excitation pulsée puis continue. Des expériences de corrélation croisée entre les raies X et XX prouvent la génération de paires de photons corrélés dans le temps. Nous démontrons alors des effets d'électrodynamique quantique en cavité à l'état solide en plaçant une boîte quantique en résonance avec le mode fondamental d'un micropilier. Un raccourcissement du temps de vie de cet émetteur d'un facteur au moins égal à 3 laisse penser que la majorité des photons est collectée grâce à l'effet Purcell dans un seul et même mode spatial. La polarisation des photons émis peut être contrôlée en utilisant des micropiliers à section elliptique. Nous soulignons pour la première fois l'importance des pertes extrinsèques liées à la diffusion par les rugosités de la cavité. La prise en compte de cet effet conduit à de nouvelles règles pour la conception de micropiliers. La source à un photon réalisée présente une probabilité de collecter un photon par impulsion proche de 40% et une probabilité d'en émettre plus d'un de 1%. Enfin, des expériences d'auto-corrélation en fonction de la température montrent une dégradation modérée du dégroupement de photons avec la température, qui permet d'envisager un fonctionnement à 100 K.