Integrated silicon photonics for quantum optics

par Dorian Oser

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Eric Cassan.

Le président du jury était Philippe Grangier.

Le jury était composé de Eric Cassan, Philippe Grangier, Christophe Galland, Wim Bogaerts, Laurent Labonté, Ségolène Olivier.

Les rapporteurs étaient Christophe Galland, Wim Bogaerts.

  • Titre traduit

    Photonique silicium intégrée appliquée à l'optique quantique


  • 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.


  • Résumé

    Silicon photonics is a dynamic research field of integrated optics. It allows to miniaturize numerous optical functionalities such as lasers, electro-optical modulators, routers, detectors, for telecom wavelengths, LIDAR, sensor, metrology or even spectroscopy, all while been able to propose large scale production high precision technologies. On another side, quantum optics suffers from difficulties to scale optical systems, requires extreme stability, perfect alignment, and many bulky optical elements, while solving these issues follows a natural path in integrated photonics. Development of integrated quantum photonics can thus open the door to cheap, powerful, and scalable systems for quantum cryptography, telecoms, and computation. In a significant way, quantum requirements are not the ones of classical circuits with respect to photonic components and circuits. The generation of quantum states indeed requires more than 100dB of pump laser rejection, while being able to manage ultra-low useful optical signals and get rid of on-chip optical noise. In this context, this thesis is dedicated to the study, dimension, realization, and characterization of silicon photonic components and circuits for quantum optics on a chip. The target goal is to generate entangled states in energy-time and manipulate them on chip. The qualification of the quantum properties is also explored to better understand the limitations of the silicon platform in the followed objectives. Another choice of this work is to stay in telecoms wavelength and aligned with the standard channels (ITU grid), to only use off-the-shelf components, all while been CMOS compatible and compliant with standard fabrication process, this to allow the possibility to produce on large scale.


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