photonique silicium intégré pour l'optique quantique

par Dorian Oser

Projet de thèse en Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies

Sous la direction de Éric Cassan, Laurent Labonte et de Carlos Alonso-ramos.

Thèses en préparation à l'Université Paris-Saclay (ComUE) , dans le cadre de École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (laboratoire) , Photonique (equipe de recherche) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    La photonique silicium est un domaine prolifique de l'optique intégrée. Elle permet de miniaturiser de nombreuses fonctionnalités optiques, l'émission laser (en considérant les stratégies d'intégration hybride), la modulation électro-optique, le routage, la détection, pour les télécoms, les LIDAR ou la spectroscopie, la métrologie, les capteurs et laboratoires sur puce, toute en produisant à grande échelle avec une grande précision et à bas coût (grâce au technologies CMOS de la microélectronique). L'optique quantique, quant à elle, souffre d'une grande sensibilité aux vibrations et à l'environnement. Les montages optiques nécessitent stabilité, alignement parfait et un grand nombre d'éléments optiques, ce qui limite son développement à grande échelle. Inversement, tous ces aspects sont naturels en photonique intégrée. Le développement de la photonique quantique est ainsi susceptible de permettre l'implémentation à large échelle de systèmes de clés de cryptage pour les télécoms et le calcul quantique. Les prérequis de la photonique quantique sont globalement plus sévères que ceux de la photonique classique. La génération d'états quantiques nécessite notamment un niveau de réjection de la pompe de plus de 100 dB ; le niveau de bruit photonique ambiant sur la puce est également un facteur à soigner particulièrement dans la mesure où les paires de photons générées par les processus quantiques sont par principe de très faible puissance. Dans ce contexte, cette thèse aborde le développement de composants et de circuits pour la photonique quantique silicium. Le but est de générer des états intriqués en énergie-temps et de pouvoir les manipuler sur une puce. Cela va de la conception à l'utilisation des paires de photons, en passant par la fabrication des circuits intégrés optiques. La qualification des propriétés quantiques est aussi explorée afin de cerner les limitations de la plateforme silicium pour le domaine applicatif visé. L'esprit de ce travail est également de proposer des solutions restantes compatibles avec les canaux de télécommunications standard (ITU), de n'utiliser que des composants fibrés standards pour les connexions à réaliser, tout en restant compatibles avec les techniques de fabrication industrielle des grandes fonderies microélectroniques afin de permettre une future production à grand échelle des circuits photoniques quantiques.

  • Titre traduit

    integrated silicon photonics for quantum optics


  • Résumé

    Silicon photonics has lived an intense research activity in both the industry and academy over the last decade. It enables the generation, modulation, processing, and detection of classical light signals, with cost- effective devices meeting the ever-increasing demands on data speed and bandwidth. More recently, silicon photonics has turned to the quantum world: it has emerged as a novel and promising platform, enabling both on-chip generation and manipulation of quantum states of light. Few groups including us are starting some developments of quantum silicon photonic circuits. Our objectives are to demonstrate complex circuits at a wavelength of 1.55m based on the dense integration of both linear and non-linear on-chip optical functionalities enabling the generation, the routing, the advanced manipulation, as well as the detection, of photonic quantum states. The objective of the PhD is to address the challenge of the photon-pairs generation based on Four-Wave-Mixing process (FWM) and the on-chip light manipulation of these photons. That includes developing some solutions in the extraction of generated photon-pairs and the optical pump rejection, the photon splitting and in the photon pair interferences. Classical and quantum experiments will be performed either at IEF or at the LPMC. The candidate will fully involve in the design, fabrication and characterization of silicon-based components and will work in close collaboration with the LPMC (Nice, France) in the framework of the French ANR project SITQOM.