Couplage des photons émis par des nanocristaux semiconducteurs

Couplage des photons émis par des nanocristaux
semiconducteurs cœur-bâtonnet dans une nanofibre étirée
17 juin 2014

Résumé
Durant mon stage dans l’équipe d’Alberto Bramati au Laboratoire Kastler Brossel (LKB)
à Jussieu, mon travail a consisté à préparer un nouveau banc expérimental permettant l’obser-
vation et la caractérisation de nanofibres couvertes de sources de photons uniques que sont les
nanocristaux semiconducteurs CdSe/CdS de type cœur-bâtonnet. La fabrication de ces nanofi-
bres a également fait partie intégrante de mon travail. Elles sont produites à partir de fibres
commerciales que l’on chauffe et que l’on étire, réduisant ainsi le diamètre du cœur à une taille
nanométrique. Contrairement à une fibre classique de type cœur-gaine, on obtient ici un guide
d’onde permettant de coupler la lumière à l’interface silice/air. La lumière est guidée de manière
efficace et présente un fort champ évanescent.
Les nanocristaux de semiconducteurs utilisés au LKB produisent de manière efficace des
photons uniques. Ces photons uniques sont générés lorsqu’on les excite avec une lumière d’énergie
adéquate. Ainsi, les photons émis par des nanocristaux placés à la surface de la zone la plus fine
de la fibre sont guidés vers un connecteur reliant la fibre étirée à une fibre standard.
On peut donc imaginer des applications intéressantes de tels systèmes : systèmes compacts
sources de photons uniques guidés par fibre, information quantique ou encore cryptographie
quantique. C’est dans cette perspective et au sein du projet CASQUAD - CAvity System for
QUAntum Dot - que s’inscrit mon stage.

Rapport de stage
Couplage des photons émis par des
nanocristaux semiconducteurs
cœur-bâtonnet dans une nanofibre étirée
Auteur :
Jean-Michel Villain
Responsable :
Pr. Alberto Bramati
Université de Technologie de Troyes
LKB
Équipe Optique Quantique
Février - Juillet 2014

Remerciements
Tout d’abord je tiens à remercier l’ensemble des membres du laboratoire pour leur accueil
chaleureux, qui a fait de ce stage un moment riche et agréable. Mais aussi et plus particulière-
ment :
Alberto Bramati,
Christophe Couteau,
Quentin Glorieux,
Elisabeth Giacobino,
Anne-Laure Baudrion,
de m’avoir accueilli et suivi, de près ou de loin pendant toute la durée de mon stage.
Mathieu Manceau,
Thomas Boulier,
Salma Aziam,
Baptiste Gouraud,
Nicolas Sangouard,
Clément Jacquard,
Wei Geng,
Francesco Arzani,
Panayotis Akridas-Morel,
Hanna Le Jeannic,
Dominik Maxein,
de m’avoir tout expliqué - même si je n’ai pas tout compris, pour leur sympathie, mais aussi
pour leurs conseils, corrections, bières et pâtisseries.
Jean-Michel Isac et l’équipe de la mécanique,
Brigitte Delamour,
Jean-Pierre Okpisz,
Mohammed Boujrad,
Monique Granon,
pour leur professionalisme, rapidité et pour la qualité de leur travail.
Marcel Villain,
Véronique Villain,
Le Staff Technique,
et Alice Turner,
pour leur courage, patience, amitié, bonne humeur et amour.

Table des matières
1 Introduction 1
1.1 Présentation du Laboratoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Thématiquesderecherche............................... 2
1.3 Organisation ...................................... 2
1.3.1 L’équipe Optique quantique dans les milieux semiconducteurs . . . . . . . 3
1.3.2 L’expérience .................................. 3
2 Stage 4
2.1 Sujet........................................... 4
2.2 Rôle ........................................... 4
2.3 Contexteaulaboratoire ................................ 4
2.3.1 Lesnanocristaux................................ 4
2.3.2 Lafibreétirée.................................. 7
2.4 Description des méthodes et objectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.4.1 Lemontage................................... 9
2.4.2 Les choix technologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.4.3 Le couplage évanescent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4.4 Tempsdevie .................................. 11
2.4.5 La fonction d’autocorrélation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4.6 Planning prévisionnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.5 ActivitésetExpériences ................................ 14
2.5.1 Tiragedefibre ................................. 14
2.5.2 Module d’observation de nanofibres pour microscope confocal . . . . . . . 17
2.5.3 Conception d’un microscope confocal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.5.4 Dépôt des nanocristaux et étude de la dilution . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.5.5 Testssurdemi-fibre .............................. 19
2.5.6 Observation du couplage de la luminescence . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.5.7 Étude de l’influence de l’angle d’incidence du laser sur le couplage . . . . 21
2.5.8 Excitation de nanocristaux par couplage évanescent d’un laser dans la fibre 22
2.6 Discussion des résultats par rapport à l’objectif visé et planning réel . . . . . . . 22
2.6.1 Filtrage polarisant en excitation et en collection . . . . . . . . . . . . . . 22
2.6.2 Photonsuniques? ............................... 23
3 Conclusion 24
3.1 Étatdeslieux...................................... 24
3.2 Perspectives....................................... 24
3.3 Bilan........................................... 24
Bibliographie 25
Annexes 27