Dispositifs photonique silicium hybride pour l'optique non-linéaire

Hybrid silicon photonics devices for nonlinear optics

• Auteur / Autrice : Yijun Yang
• Direction : Laurent Vivien
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Electronique, Photonique et Micro-Nanotechnologies
• Date : Inscription en doctorat le 04/10/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Photonique
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Photonique hybride

Optique intégrée

Photonique silicium

Optique nonlinear

Integrated optics

Hybrid photonics

Silicon photonics

Nonlinear optics

Résumé

Pour répondre aux besoins des applications de pointe dans les communications optiques, l'information quantique et la détection, il est de plus en plus nécessaire de développer des fonctionnalités linéaires et non linéaires innovantes dans la plate-forme photonique sur silicium. En effet, la révolution photonique émergente fait appel à une nouvelle génération de puces photoniques qui offrent un nombre toujours croissant de fonctionnalités, tout en étant plus petites, moins chères et moins gourmandes en énergie. La photonique sur silicium (Si) est généralement considérée comme le paradigme d'intégration et d'évolutivité. Cependant, les composants photoniques au silicium de pointe ne suffisent pas à répondre aux exigences de toutes ces applications émergentes. Le besoin de nouvelles fonctionnalités pousse alors la recherche de phénomènes physiques et de matériaux alternatifs, avec un intérêt particulier pour les non-linéarités du second et du troisième ordre. En effet, les phénomènes non linéaires sont au cœur de récentes démonstrations étonnantes de fonctionnalités clés sur puce, notamment la génération de peignes de fréquence, l'amplification paramétrique, l'échantillonnage optique ultra-rapide et la génération de paires de photons quantiques. Des résultats encourageants ont été obtenus en utilisant des matériaux photoniques au Si conventionnels, comme le Si, le SiN et le germanium (Ge), mais l'efficacité est encore limitée en raison des faibles coefficients non linéaires ou de la perte non linéaire. Une solution possible pour surmonter les limitations de la photonique sur silicium dans les applications d'optique non linéaire est l'intégration hybride de nouveaux matériaux. Dans ce contexte, l'objectif principal de la thèse est d'explorer une nouvelle approche basée sur les propriétés non linéaires géantes, les pertes non linéaires négligeables et l'ingénierie matérielle polyvalente des matériaux chalcogénures intégrés dans les structures photoniques Si. Le candidat sera impliqué dans toutes les étapes de la recherche : conception, fabrication et caractérisation en étroite collaboration avec notre partenaire (JJ Hu et S. Serna du MIT – USA) pour démontrer de nouvelles fonctionnalités basées sur des non-linéarités de second et troisième ordre. Une attention particulière sera portée sur la réduction de la perte de propagation des structures photoniques hybrides pour assurer la meilleure efficacité non linéaire. Le domaine de longueur d'onde couvert par cette recherche sera d'abord la longueur d'onde télécom (autour de 1550nm) et s'étendra jusqu'au moyen IR jusqu'à la transparence du silicium.

To address the needs of cutting-edge applications in optical communications, quantum information and sensing, it is more and more required to develop innovative linear and nonlinear functionalities in silicon photonics platform. Indeed,the emerging photonic revolution calls upon a new generation of photonic chips that provide an ever-growing number of functionalities, while being smaller, cheaper and less power hungry. Silicon (Si) photonics is usually regarded as the integration and scalability paradigm. However, state-of-the-art silicon photonic components do not suffice to address the requirements of all these emerging applications. The need for new functionalities is then driving the research of alternative physical phenomena and materials, with a special interest in second- and third-order nonlinearities. Indeed, nonlinear phenomena are at the core of recent stunning demonstrations of key on-chip functionalities, including frequency comb generation, parametric amplification, ultra-fast optical sampling and quantum photon-pair generation. Encouraging results have been achieved using conventional Si photonics materials, like Si, SiN and germanium (Ge) but the efficiency is still limited due to either the weak nonlinear coefficients or the nonlinear loss. One possible solution to overcome silicon photonics limitations in nonlinear optics applications is the hybrid integration of new materials. In this context, the main objective of the PhD is to explore a new approach based on the giant nonlinear properties, negligible nonlinear loss and versatile material engineering of chalcogenide materials integrated into Si photonics structures. The candidate will be involved in all the step of the research: design, fabrication and characterization in close collaboration with our partner (JJ Hu and S. Serna from MIT – USA) to demonstrate new functionalities based on second- and third- order nonlinearities. A special attention will be taken on the reduction of the propagation loss of the hybrid photonics structures to ensure the best nonlinear efficiency. The wavelength range covers by this research will be first the telecom wavelength (around 1550nm) and will be extend to mid-IR until the transparency of the Silicon.