Controlling the spectral properties of quantum light sources based on a quantum dot in a nanowire
Contrôle des propriétés spectrales des sources de lumière quantique basées sur une boîte quantique dans un nanofil
Résumé
This work aims at controlling the spectral properties of the photons that are emitted by a semiconductor quantum dot (QD) embedded in a photonic nanowire antenna. First, we conduct a theoretical study which unveils a new decoherence mechanism in this system. We show that, even at cryogenic temperature, the thermal vibrations of the nanowire induce a large spectral broadening that prevents the emission of indistinguishable photons. We propose three designs that suppress this decoherence channel thanks to an engineering of the mechanical properties of the nanowire. Next we introduce a nanowire optical nanocavity which offers a large acceleration of spontaneous emission (predicted Purcell factor of 6.3) that is maintained over a 30-nm-wide operation bandwidth. We fabricate a GaAs nanocavity which embeds InAs self-assembled QDs. Single QD spectroscopy reveals a maximal acceleration of spontaneous emission by a factor as large as 5.6 and a first lens collection efficiency of 0.35. Finally, we propose a strategy to tune the emission wavelength of a QD embedded in a nanowire antenna. On-chip electrodes generate an electrostatic force that bends the nanowire. The resulting strain modulates the QD bandgap energy. We realize a first generation of devices and discus preliminary wavelength tuning measurements. Overall, these results open promising perspectives for photonic quantum technologies, in particular for the realisation of advanced sources of quantum light.
Ce travail vise à contrôler les propriétés spectrales des photons émis par une boîte quantique semiconductrice intégrée dans une antenne à fil photonique. Dans une étude théorique, nous dévoilons tout d'abord un nouveau mécanisme de décohérence dans ce système. Même à température cryogénique, les vibrations thermiques du nanofil induisent un très fort élargissement spectral qui interdit l'émission de photons indiscernables. Nous proposons trois approches qui suppriment efficacement ce canal de décohérence en exploitant une ingénierie des propriétés mécaniques du nanofil. Ensuite, nous introduisons une nanocavité optique à nanofil qui offre une accélération de l'émission spontanée très prononcée (facteur de Purcell théorique de 6.3) sur une large gamme spectrale (30 nm à mi-hauteur). Nous avons fabriqué une nanocavité en GaAs qui contient des boîtes quantiques auto-assemblées en InAs. Les mesures révèlent une accélération de l’émission spontanée par un facteur 5.6 et une efficacité de collection de 0.35 au niveau de la première lentille. Enfin, nous proposons une stratégie pour accorder la longueur d'onde d'émission d'une boîte quantique intégrée dans une antenne à nanofil. Deux électrodes sur puce génèrent une force électrostatique qui plie le nanofil. La déformation résultante module l'énergie de bande interdite de la boîte quantique. Nous avons réalisé ces dispositifs et discutons les premières mesures démontrant l’accordabilité spectrale. Globalement, ces résultats ouvrent des perspectives prometteuses pour les technologies photoniques quantiques, en particulier pour la réalisation de sources avancées d’états quantiques de la lumière.
Origine : Version validée par le jury (STAR)