Photonique sur silicium pour les communications quantiques

Silicon Photonics for On-Chip Quantum Communications

• Auteur / Autrice : David Enrique Medina Quiroz
• Direction : Eric Cassan, Carlos Alonso-Ramos
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, Photonique et Micro-Nanotechnologies
• Date : Soutenance le 21/11/2024
• 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 (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Eleni Diamanti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sara Ducci, Alejandro Ortega Moñux, Jeremy Witzens
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Sara Ducci, Alejandro Ortega Moñux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseau de Bragg

Intrication quantique

Cryptographie quantique

Photonique

Optique quantique

Silicium

Mots clés libres

Silicium

Quantique

Cryptographie

Intrication

Reseau de Bragg

Silicon

Quantum

Cryptography

Entanglement

Bragg grating

Résumé

Cette thèse de doctorat porte sur l'optimisation d'une bibliothèque de composants photoniques individuels en silicium afin de construire des circuits complexes pour des applications quantiques. Divers composants, dont des filtres de Bragg, des résonateurs et des coupleurs modal d'addition, ont été étudiés en profondeur et intégrés dans des circuits complexes. Ces circuits ont fait l'objet d'une caractérisation quantique qui a donné des résultats prometteurs. Nous démontrons un générateur de paires de photons intriqués déterministe entièrement sur puce sur la plateforme SOI 300 nm, en utilisant uniquement des composants passifs. La conception est conforme aux normes industrielles CMOS. Le circuit intègre trois étapes: la génération de paires de photons intriqués, le filtrage de la pompe et le démultiplexeur en longueur d'onde (WDM). Pour l'entrée et la sortie, nous avons utilisé des réseaux en forme de L optimisés pour une perte ultra-faible de 2,5 dB. Les paires de photons intriqués sont générées par un mélange spontané à quatre ondes (SFWM) à travers un simple résonateur en anneau. L'anneau est couplé de manière critique à un guide d'onde bus, ce qui permet d'obtenir un facteur de qualité supérieur à 150k avec une gamme spectrale libre (FSR) d'environ 100 GHz, correspondant à la grille de l'UIT. Essentiel pour les performances du circuit, l'étage de filtrage de la pompe suit l'approche multi-étapes de la cohérence brisée en incorporant des courbes de métamatériaux conçus afin d'éliminer les ondes de polarisation TM. Il en résulte ainsi un taux de réjection supérieur à 80 dB. Il convient de noter que cette approche a été transposée avec succès à la technologie SiN par notre groupe. Enfin, l'étage WDM se compose d'un coupleur modal d'addition en cascade à deux sections et d'un réseau de Bragg effilé adiabatique, conçu pour une diaphonie ultra-faible (moins de 40 dB) et pertes d'insertion minimales. Ce circuit intégré combine avec succès toutes les étapes nécessaires à la génération et au traitement de paires de photons intriqués sur la puce. Après avoir effectué une caractérisation classique et pris en compte les pertes, des caractérisations quantiques ont été réalisées à l'aide de détecteurs de photons uniques à nanofils supraconducteurs (SNSPD) dans une configuration de coïncidence. Les mesures d'interférence des paires intriquées ont été réalisées à l'aide d'un interféromètre de Michelson de type Franson. La visibilité des figures d'interférence a été déterminée en ajustant la différence de phase de l'interféromètre. Nous avons obtenu des visibilités brutes et corrigées de 80 % et 98 %, respectivement, avec une stabilité constante des crêtes latérales, ce qui confirme les corrélations quantiques dans nos expériences. C'est la première fois qu'un circuit complexe, comprenant un filtre de pompe et un étage de démultiplexage, est évalué pour sa capacité à produire des paires de photons intriqués.

This PhD thesis focuses on optimizing a library of individual silicon photonics components to construct complex circuits for quantum applications. Various components, including Bragg filters, resonators, and modal add drop couplers, have been thoroughly studied and integrated into complex circuits. These circuits underwent quantum characterization, yielding promising results. We demonstrate a fully on-chip, deterministic entangled photon pair generator on the 300 nm SOI platform, using only passive components. The design adheres to the CMOS industry standards. The circuit integrates three stages: entangled photon pair generation, pump filtering, and wavelength division demultiplexer (WDM). For input and output, we used L-shaped gratings optimized for ultra-low loss of 2.5 dB. Entangled photon pairs are generated through spontaneous four-wave mixing (SFWM) through a simple ring resonator. The ring is critically coupled to a pulley bus waveguide, achieving a quality factor over 150k with a free spectral range (FSR) of approximately 100 GHz, matching the ITU grid. Critical for the circuit's performance, the pump filtering stage follows the broken coherence multistage approach incorporating anisotropy-engineered metamaterial bends to account for TM polarization remnants. This results in a rejection rate exceeding 80 dB. It is of note that this approach was successfully translated to the SiN technology by our group. Finally, the WDM stage consists of a cascaded two-section modal add coupler and an adiabatically tapered Bragg grating, engineered for ultra-low crosstalk (less than 40 dB) and minimal insertion loss. This integrated circuit successfully combines all necessary stages for generating and processing entangled photon pairs on-chip. After performing classical characterization and accounting for losses, quantum characterizations were conducted using superconducting nanowire single photon detectors (SNSPD) in a coincidence setup. Interference measurements of the entangled pairs were performed using a Franson-type Michelson interferometer. The visibility of the interference patterns was determined by adjusting the phase difference of the interferometer. We obtained raw and corrected visibilities of 80 % and 98 %, respectively, with consistent side-peak stability, confirming the quantum correlations in our experiments. This is the first time a complex circuit, including a pump filter and a demultiplexing stage, has been evaluated for its capability to produce entanglement.