Intégration planaire de fonctions photoniques non-linéaires dans des composants en niobate de lithium en couche mince

Planar integration of nonlinear photonic functions in thin-film lithium niobate components

• Auteur / Autrice : Clément Selva
• Direction : Stéphane Calvez, Olivier Gauthier lafaye
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Photonique et Systèmes Optoélectroniques
• Date : Inscription en doctorat le 14/10/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique et télécommunications
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LAAS - Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes
• Partenaire(s) de recherche : établissement délivrant conjointement le doctorat : Toulouse, INSA

Mots clés

Mots clés libres

Photonique intégrée

Optique non-linéaire

Couche mince de niobate de lithium

Integrated photonics

Non linear optics

Lithium Niobate thin films

Résumé

Le niobate de lithium (Lithium Niobate, LN) cristallin est en particulier un acteur majeur de la photonique intégrée. L'intérêt discriminant de ce matériau vient de ses propriétés non linéaires du second ordre qui sont à la base des modulateurs et autres convertisseurs de fréquences utilisables sur toute la bande de transparence du matériau (0,4 µm - 5 µm). Par ailleurs, les guides d'ondes LN sont connus pour leurs faibles pertes de propagation ce qui en fait une plateforme de choix pour la fabrication de dispositifs photoniques intégrés pour des applications d'information quantique et classique. Ce matériau a vu son intérêt renforcé avec l'avènement des films minces de LN. En effet, ces films représentent une rupture technologique à plus d'un titre. Tout d'abord, ils offrent des réponses à la demande grandissante en bande passante pour les télécommunications et ouvre également la voie à un traitement non linéaire de signaux basse puissance comme pour le domaine du quantique. Ainsi, des composants optiques aux performances décuplées à base de films LN sur isolant (LNOI, Lithium Niobate On Insulator) ont été démontrés récemment pour la réalisation de sources quantiques, de convertisseurs de fréquences à rendement record ou encore de modulateurs très large bande et à très faible tension de commande. La métrologie n'est pas en reste avec des applications en optique comme la génération de peignes de fréquence ou de supercontinuum. Par ailleurs, cet intérêt est décuplé en raison du potentiel du LNOI pour le développement de circuits photoniques fortement intégrés. Cette plateforme offre donc des perspectives sans précédent en termes d'évolutivité et de performances grâce à une densification des composants comme démontré jusqu'à présent sur silicium. La thèse proposée s'intéresse à l'utilisation de la filière LNOI pour la réalisation de composants d'optique non-linéaire intégrée pour les applications d'optique quantique principalement. Il s'agira de travailler sur trois volets essentiels à la démonstration et l'établissement de ces composants. Un premier volet recouvre la modélisation et la conception des systèmes de couplage optique depuis les fibres optiques vers les guides d'onde, ainsi que l'optimisation des résonateurs et circuits optiques permettant l'exaltation des effets non-linéaires recherchés. Un second volet est le développement et l'établissement de procédés technologiques fiables, performants et reproductibles de micro-fabrication de ces composants. Ce volet sera traité avec l'appui de la salle blanche du LAAS, une des 5 grandes centrales technologiques du réseau académique RENATECH, et s'appuiera sur les résultats antérieurs déjà obtenus par l'équipe. Enfin, un dernier volet adressera la caractérisation des performances des composants réalisés. Les travaux de thèse seront réalisés au LAAS-CNRS dans l'équipe Photonique, et s'inscrivent dans le cadre d'un projet collaboratif d'ampleur national NanoFILN réunissant les efforts de 5 laboratoires sur la thématique de la fabrication et la réalisation de circuits photoniques en LNOI.

Crystalline lithium niobate (Lithium Niobate, LN) is particularly a major player in integrated photonics. The distinguishing interest in this material comes from its second-order nonlinear properties, which are the basis of modulators and other frequency converters usable across the entire transparency band of the material (0.4 µm - 5 µm). Moreover, LN waveguides are known for their low propagation losses, making them a preferred platform for the fabrication of integrated photonic devices for both quantum and classical information applications. This material has gained increased interest with the advent of LN thin films. Indeed, these films represent a technological breakthrough in many ways. Firstly, they meet the growing demand for bandwidth in telecommunications and also pave the way for nonlinear processing of low-power signals, as in the field of quantum applications. Recently, LN film-based components with enhanced performance, such as Lithium Niobate on Insulator (LNOI), have been demonstrated for the realization of quantum sources, frequency converters with record efficiency, and ultra-wideband modulators with very low control voltage. Metrology is also benefiting from this with applications in optics, such as the generation of frequency combs [6] or supercontinuum. Furthermore, this interest is amplified due to the potential of LNOI for the development of highly integrated photonic circuits. This platform thus offers unprecedented prospects in terms of scalability and performance thanks to the densification of components, as demonstrated so far on silicon. The proposed thesis focuses on the use of the LNOI platform for the realization of integrated nonlinear optical components primarily for quantum optics applications. The work will cover three essential aspects for the demonstration and establishment of these components. The first aspect involves the modeling and design of optical coupling systems from optical fibers to waveguides, as well as the optimization of resonators and optical circuits to enhance the desired nonlinear effects. The second aspect is the development and establishment of reliable, high-performance, and reproducible microfabrication processes for these components. This will be addressed with the support of the LAAS cleanroom, one of the five major technological centers of the RENATECH academic network, and will build on the team's previous results. Finally, the third aspect will focus on the characterization of the performance of the fabricated components. The thesis work will be conducted at LAAS-CNRS within the Photonics team and is part of a large-scale national collaborative project, NanoFILN, which brings together the efforts of five laboratories on the theme of the fabrication and realization of photonic circuits in LNOI.