Nanofibres optiques pour la réalisation de sources de photons corrélés

par Abderrahim Azzoune

Projet de thèse en Optique et photonique

Sous la direction de Gilles Pauliat et de Sylvie Lebrun.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Ondes et Matière , en partenariat avec Laboratoire Charles Fabry (Palaiseau, Essonne) (laboratoire) , Materiaux nonlinéaires et applications (equipe de recherche) et de Institut d'optique théorique et appliquée (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    Les sources de paires de photons corrélés sont un des composants clés nécessaires aux réseaux de télécommunications quantiques. Réaliser directement ces sources à partir de fibres optiques permet de minimiser les pertes d'insertion. Nous proposons de concevoir une telle source à partir d'une fibre optique étirée. Le faible diamètre de la section étirée favorise les effets non linéaires qui produisent ces photons, tandis que les sections non étirées permettent de connecter avec de très faibles pertes cette fibre étirée avec les fibres des réseaux de télécommunication. Nous maîtrisons déjà l'étirage de fibres avec la plate-forme d'étirage que nous avons développée au laboratoire. Cette machine contrôlée par ordinateur, permet d'étirer des fibres optiques, typiquement des fibres télécom standard SMF‐28, en routine. La nanofibre ainsi obtenue possède un diamètre pouvant descendre à moins de 500 nm sur des longueurs d'une dizaine de centimètres. Ces nanofibres sont de nouveaux objets de choix pour l'optique non linéaire en raison de leurs multiples avantages : • l'injection et la collection de la lumière s'effectuent par des zones fibrées évasées avec des pertes négligeables ; • le confinement du champ optique dans ces cœurs sub‐micrométriques exalte les non linéarités optiques de plusieurs ordres de grandeur ; • le fort champ évanescent du mode guidé permet également de sonder le milieu qui environne la nanofibre ; le composant hybride ainsi obtenu possède un guidage assuré par la structure de silice et les non‐linéarités dépendent du milieu environnant ; • les nanofibres résistent à des puissances optiques 100 fois plus importantes qu'une fibre standard ; • leur très forte résistance mécanique, plus importante que pour des objets en silice macroscopiques, permet une manipulation relativement aisée ouvrant ainsi la voie à la réalisation de nouveaux composants tels que nanofibres en boucles, bobinages. Avec nos nanofibres, nous avons déjà observé des effets spectaculaires avec de simples impulsions micro-Joule : créations de supercontinuums, premières mises en évidence expérimentales des «non‐linéarités évanescentes» comme l'émission Raman stimulée dans un liquide baignant la nanofibre ou la génération de second harmonique rendue possible dans ce milieu de silice isotrope par la proximité de la surface de la nanofibre … L'objectif de cette thèse est donc concevoir et tester une nouvelle source de photons corrélés totalement fibrée. Pour produire ces paires de photons nous utiliserons la fluorescence paramétrique due à la brisure de symétrie à la surface de la nanofibre. L'ensemble du processus de création de photons sera modélisé. Dans un premier temps il faudra également améliorer le dispositif de tirage pour arriver à tirer des nanofibres avec des diamètres uniformes à quelques nanomètres près et développer les techniques de caractérisation de cette nanofibre, techniques qui devront être utilisables en temps réel lors du tirage. Dans un second temps, nous développerons les techniques d'accord de phase modal. Cet accord est nécessaire à l'obtention d'une forte fluorescence. Nous caractériserons cette fluorescence paramétrique et, pour finir, la qualité des paires de photons sera mesurée et l'ensemble confronté aux modélisations.

  • Titre traduit

    Optical nanofibers for correlated photon sources


  • Résumé

    Sources of correlated photon pairs are one of the key components required for developing quantum telecommunications networks. Implementing these sources directly with optical fibres minimizes the insertion losess. We propose to develop such a source from a stretched optical fibre. The small diameter of the stretched section promotes the non-linear effects, which produce these photons, while the unstretched sections are ideal for low loss connections to telecommunication networks. We already developed a first pulling platform. This computer controlled machine makes it possible to routinely stretch optical fibres, typically standard telecom SMF-28 fibres. The obtained nanofibres present diameters lower than 500 nm over lengths of about ten centimetres. These nanofibres are new choice objects for nonlinear optics. They present many advantages: • Injection and collection of light is performed with negligible losses. • Confinement of the optical field in their sub-micrometre cores enhances the optical non-linearities by several orders of magnitude. • The strong evanescent field of the guided mode probes the medium that surrounds the nanofibre; the resulting hybrid component has guiding properties provided by the silica structure and non-linearities that can be optimized by the choice of the surrounding medium; • Nanofibres resist optical power 100 times greater than a standard fibre sustains; • Their very high mechanical strength, higher than for macroscopic silica objects, allows relatively easy handling. This opens the way for the realization of new components such as nanofibres in loops, coils. With our nanofibres, we already observed dramatic effects with pulses of about one micro-Joule: creation of supercontinuums, experimental evidence of 'evanescent nonlinearities' such as Raman stimulated scattering in the liquid bathing the nanofibre, or second harmonic generation made possible in this isotropic silica medium by the vicinity of the nanofibre surface... The objective of this PhD work is to design and test an entirely new fibred source of correlated photons. To produce these photon pairs we will use the parametric fluorescence due to the symmetry breaking on the nanofibre surface. The entire photon creation process will be modelled. Initially we will also improve the pulling machine to draw nanofibres with uniform diameters within a few nanometres. We will also develop optical nonlinear characterization techniques, techniques that should be used to monitor the nanofibre shape during the pulling process. Second, we will develop optical injection techniques for modal phase matching. This modal control is necessary to obtain a strong fluorescence. We will characterize the parametric fluorescence and, ultimately, the quality of the photon pairs will be measured and confronted with the modelling.