SOURCES SEMICONDUCTRICES D'ETATS A DEUX PHOTONS A TEMPERATURE AMBIANTE
Résumé
In this work, we design and characterize semiconductor sources of two-photon states for integrated quantum information. These devices are based on spontaneous parametric down-conversion in AlGaAs waveguides and emit photon pairs at room temperature and telecom wavelength. The first source is a twin photon emitting laser diode, based on a modal phase-matching between an electrically injected Bragg laser mode at 775 nm and the telecom photon modes within the same waveguide. We describe the structure design, its linear and nonlinear optical behaviour, and its characteristics under electrical current injection. The achievement of laser emission and second harmonic generation in the same device open the way towards an ultra-compact source of photon pairs. The second device under study is based on a transverse pumping geometry in which a laser beam impinging on top of the waveguide produces two counterpropagating waveguided telecom photons. We explore the huge versatility of the two-photon quantum state generated by this source, namely the possibilities of state engineering in the frequency domain that are inabled by this geometry. We also present the first experimental demonstration of polarization entangled photon pairs achieved with this device, together with a model allowing to predict the entanglement quality from the spatial and spectral distribution of the pumping beam. These sources of non classical states of light, compact and capable of electrical injection on chip are excellent candidates for future photonic implementations of quantum information.
Ce travail porte sur la conception et la caractérisation de sources semiconductrices d'états à deux photons pour l'information quantique intégrée. Ces dispositifs, basés sur la fluorescence paramétrique dans des guides d'onde en AlGaAs, émettent des paires de photons à température ambiante aux longueurs d'onde des télécommunications. La première source est une diode laser émettrice de photons jumeaux, basée sur un accord de phase modal entre un mode laser de Bragg à 775 nm injecté électriquement et les modes de photons télécom au sein du même guide d'onde. Nous détaillons le design de la structure, sa caractérisation optique linéaire et non linéaire et son comportement sous injection de courant. L'obtention de l'émission laser et de la génération de seconde harmonique sur un même dispositif ouvre la voie vers une source ultra-compacte de paires de photons. Le second dispositif étudié repose sur une géométrie de pompage transverse où un faisceau laser incident sur le dessus du guide génère deux photons télécom guidés et contrapropageants. Nous explorons la grande versatilité de l'état quantique des paires générées par cette source, avec notamment les possibilités d'ingénierie de l'état dans le domaine fréquenciel offertes par cette géométrie. Nous présentons également la première démonstration expérimentale d'états intriqués en polarisation obtenue avec ce dispositif, ainsi qu'un modèle permettant de calculer la qualité de l'intrication à partir des distributions spatiales et spectrales du faisceau de pompe. Ces sources d'états non classiques, compactes et injectables électriquement, sont d'excellents candidats pour les implémentations photoniques de l'information quantique.