Les applications de la photonique quantique aux communications quantiques et au calcul quantique nécessitent une technologie compacte et peu coûteuse, susceptible d’ouvrir des perspectives pour un futur déploiement à grande échelle. La plate-forme silicium sur isolant (SOI) est très attractive dans ce contexte, car elle offre un large choix de dispositifs intégrés pour la manipulation cohérente et la détection de photons uniques. Cependant, l'absence d'une source capable d'émettre à la demande un photon unique a jusqu’ici limité les performances des puces photoniques quantiques et augmenté leur complexité.
L'observation récente du phénomène de dégroupement des photons pour des défauts ponctuels isolés dans le silicium implanté, par exemple les centres colorés connus sous les noms de centre G (
cf.
Fait Marquant Pheliqs, janvier 2021) ou centre W (
Yoann Baron, Alrik Durand, Péter Udvarhelyi, Tobias Herzig, Mario Khoury, et al. Detection of Single W-Centers in Silicon. ACS Photonics, 2022, 9 (7), pp.2337-2345) est une avancée qui change la donne. Elle montre que l'émission spontanée d'un tel centre coloré peut être utilisée pour générer un et un seul photon à la demande. En vue d'applications pratiques, les photons uniques doivent être préparés dans un état quantique bien défini. Cela peut être réalisé en incorporant l'émetteur à l'intérieur d'une cavité optique, de manière à exploiter les effets de la cavité quantique et à adapter l'émission spontanée, comme cela a été démontré pour d'autres émetteurs de photons uniques tels que les boîtes quantiques.
Dans ce contexte, nous avons récemment observé une forte exaltation de l'émission à zéro phonon de centres G intégrés dans les micro-anneaux SOI. Les micro-anneaux ont été fabriqués à la Plateforme Technologique Amont (PTA) de Grenoble, à partir d'une plaquette SOI contenant des centres G, réalisés par implantation de carbone et recuit thermique. Les modes de résonance de l'anneau apparaissent sur les spectres de photoluminescence et affichent un facteur de qualité voisin de 3000. En ajustant finement le diamètre de l'anneau par pas de 5 nm, on obtient une résonance spectrale entre la raie à zéro-phonon des centres G et l'un des modes de résonance de l'anneau. Une multiplication par cinq du signal de photoluminescence associé à cette raie est observée à la résonance grâce à l’effet Purcell, en accord avec les estimations théoriques [1].
Cependant, l’effet Purcell n’induit pas dans cette expérience de raccourcissement notable du temps de vie des centres G. Ceci montre que, pour le centre G, la désexcitation est dominée par des processus de recombinaison non radiatifs, ainsi que par l'émission assistée par phonons. Pour cette raison, le centre G ne semble pas être le meilleur candidat pour construire une source de photons uniques de haute efficacité.
Nous concentrons maintenant nos efforts sur d'autres centres colorés qui affichent une efficacité quantique radiative plus élevée, comme le centre W. De plus, d'autres études en cours visent à intégrer un seul centre coloré à l'intérieur d’une microcavité en SOI pour évaluer les performances de la source de photon unique ainsi obtenue.
Figure : Vue au microscope électronique à balayage (a) et carte de photoluminescence (b) obtenues pour un micro anneau SOI contenant un ensemble de centres colorés G. (c) Spectres de photoluminescence obtenus pour cinq anneaux de diamètre croissant, par pas de 5nm. On observe une forte exaltation de la raie d’émission “à zéro-phonon” des centres G (dont la position spectrale est indiquée par la ligne tiretée) lorsqu’elle entre en résonance avec un mode de cavité (ici le mode m=15, dont la position spectrale est marquée par une flèche). Cette condition est satisfaite pour l’anneau R3.