Guided-wave heralded single photon source at telecommunication wavelength for quantum communications
Source de photons uniques annoncés à 1550nm en optique guidée pour les communications quantiques
Résumé
Long distance quantum communication relies on efficient single photon sources, whose wavelength has to be centered on 1550nm. This thesis reports the realization of a heralded single photon source (HSPS) based on a periodically poled lithium niobate (PPLN) waveguide. The HSPS relies on photon pairs generated by spontaneous parametric down-conversion in a Periodically Poled Lithium Niobate (PPLN) optical waveguide and the idea is to use one of the photons to herald the arrival of the second one. Taking advantage of the guided structure, the photon pairs are collected by a single mode telecom fiber attached to the output of the waveguide. This demonstrates the potential of waveguide technologies for building efficient, stable, and compact sources.
The creation time of two successive photons pairs is unknown and the single photons at 1550nm are isolated from others, thanks to the gated detection. Essentially, this is a quantum equivalent of the classical “asynchronous transfer mode”. We point out two means to characterize the efficiency of this type of source. We first investigate an analysis model that allows us to infer the probability of having 0, 1 or 2 photons from the detection on a “Hanbury-Brown & Twiss” type setup, while we build an asynchronous equivalent to the “Hanbury-Brown & Twiss” setup in order to measure the second-order cross-correlation function. This work has lead to the demonstration of having a single photon at with a probability of 0.37, whereas the multi-photon emission probability is reduced by a factor of 12 compared to weak laser poissonian light sources at equal P1.
The creation time of two successive photons pairs is unknown and the single photons at 1550nm are isolated from others, thanks to the gated detection. Essentially, this is a quantum equivalent of the classical “asynchronous transfer mode”. We point out two means to characterize the efficiency of this type of source. We first investigate an analysis model that allows us to infer the probability of having 0, 1 or 2 photons from the detection on a “Hanbury-Brown & Twiss” type setup, while we build an asynchronous equivalent to the “Hanbury-Brown & Twiss” setup in order to measure the second-order cross-correlation function. This work has lead to the demonstration of having a single photon at with a probability of 0.37, whereas the multi-photon emission probability is reduced by a factor of 12 compared to weak laser poissonian light sources at equal P1.
Les communications quantiques (QC) longues distances sont tributaires de l'existence de sources efficaces de photons uniques dont la longueur d'onde doit être adaptée aux communications dans les fibres optiques (1550nm). Ce manuscrit présente l'étude et la réalisation expérimentale d'une source de photons uniques annoncés, basée sur l'utilisation de paires de photons issues d'un guide d'onde intégré sur un substrat de niobate de lithium polarisé périodiquement (PPLN). Le principe repose sur la séparation des photons d'une paire et la détection de l'un sert à annoncer la présence de l'autre. Aussi, ce guide d'onde nous permet de venir récolter les paires de photons simplement à l'aide d'une fibre optique monomode, gage de compacité et stabilité de la source.
L'intervalle de temps entre deux paires successives n'étant pas définit, cette source présente un fonctionnement dit « asynchrone ». Afin de caractériser les performances de ce type de source, nous proposons deux méthodes expérimentales originales. La première repose sur un modèle d'analyse des statistiques des détections dans un montage de type « Hanburry Brown & Twiss » pour remonter aux probabilités d'avoir 0, 1 ou 2 photons, tandis que la seconde est une « version asynchrone » du montage original de « Hanburry Brown & Twiss » pour tracer la fonction de corrélation croisée du second-ordre. Les performances de cette première source de photons uniques aux longueurs d'ondes télécom se situent parmi les meilleures au monde avec une probabilité d'avoir un photon unique à 1550nm de 0,37 accompagnée d'une réduction des événements à deux photons d'un facteur 12 par rapport à une source poissonnienne équivalente.
L'intervalle de temps entre deux paires successives n'étant pas définit, cette source présente un fonctionnement dit « asynchrone ». Afin de caractériser les performances de ce type de source, nous proposons deux méthodes expérimentales originales. La première repose sur un modèle d'analyse des statistiques des détections dans un montage de type « Hanburry Brown & Twiss » pour remonter aux probabilités d'avoir 0, 1 ou 2 photons, tandis que la seconde est une « version asynchrone » du montage original de « Hanburry Brown & Twiss » pour tracer la fonction de corrélation croisée du second-ordre. Les performances de cette première source de photons uniques aux longueurs d'ondes télécom se situent parmi les meilleures au monde avec une probabilité d'avoir un photon unique à 1550nm de 0,37 accompagnée d'une réduction des événements à deux photons d'un facteur 12 par rapport à une source poissonnienne équivalente.