Photonique silicium intégrée appliquée à l'optique quantique 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.
Photonique silicium intégrée appliquée à l'optique quantique 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.
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.
La photonique silicium est un domaine prolifique de l'optique integree. Elle permet de miniaturiser de nombreuses fonctionnalites optiques, l'emission laser (en considerant les strategies d'integration hybride), la modulation electro-optique, le routage, la detection, pour les telecoms, les LIDAR ou la spectroscopie, la metrologie, les capteurs et laboratoires sur puce, toute en produisant a grande echelle avec une grande precision et a bas cout (grâce au technologies CMOS de la microelectronique). L'optique quantique, quant a elle, souffre d'une grande sensibilite aux vibrations et a l'environnement. Les montages optiques necessitent stabilite, alignement parfait et un grand nombre d'elements optiques, ce qui limite son developpement a grande echelle. Inversement, tous ces aspects sont naturels en photonique integree. Le developpement de la photonique quantique est ainsi susceptible de permettre l'implementation a large echelle de systemes de cles de cryptage pour les telecoms et le calcul quantique. Les prerequis de la photonique quantique sont globalement plus severes que ceux de la photonique classique. La generation d'etats quantiques necessite notamment un niveau de rejection de la pompe de plus de 100 dB ; le niveau de bruit photonique ambiant sur la puce est egalement un facteur a soigner particulierement dans la mesure ou les paires de photons generees par les processus quantiques sont par principe de tres faible puissance. Dans ce contexte, cette these aborde le developpement de composants et de circuits pour la photonique quantique silicium. Le but est de generer des etats intriques en energie-temps et de pouvoir les manipuler sur une puce. Cela va de la conception a l'utilisation des paires de photons, en passant par la fabrication des circuits integres optiques. La qualification des proprietes quantiques est aussi exploree afin de cerner les limitations de la plateforme silicium pour le domaine applicatif vise. L'esprit de ce travail est egalement de proposer des solutions restantes compatibles avec les canaux de telecommunications standard (ITU), de n'utiliser que des composants fibres standards pour les connexions a realiser, tout en restant compatibles avec les techniques de fabrication industrielle des grandes fonderies microelectroniques afin de permettre une future production a grand echelle des circuits photoniques quantiques.
Electrodynamique quantique en cavité avec des centres colorés dans le silicium : des ensembles à la source de photons uniques Les photons sont d’excellents porteurs d’information quantique. La génération, manipulation et mesure d’états quantiques photoniques ont permis des avancées pionnières dans le domaine de la physique quantique, ouvrant la voie vers des technologies disruptives. La photonique quantique intégrée, c’est-à-dire la manipulation de photons sur puce, est à l’avant-garde de cette révolution. En particulier, les circuits intégrés sur silicium sont devenus la principale plateforme pour la photonique quantique à grande échelle. Cependant, la difficulté à injecter sur-demande des photons dans une puce en silicium est un obstacle majeur au niveau de complexité atteignable par les systèmes actuels. Dans ce contexte, l’observation de défauts fluorescents uniques dans le silicium, appelés centres colorés, ouvre la voie vers l’intégration de sources atomiques de photons uniques. Bien que plusieurs centres colorés aient démontré leur faculté à émettre des photons dégroupés, leur application en pratique requiert de contrôler leurs propriétés d’émission par des effets d’électrodynamique quantique dans des cavités optiques.Cette thèse de doctorat est consacrée à l’électrodynamique quantique en cavité avec des centres colorés du silicium en cavités optiques, en vue de fabriquer une source efficace de photons uniques. Les efforts sont d’abord orientés sur des ensembles de centres G dans des cavité de type micro-anneau. Leurs propriétés optiques sont étudiées par spectroscopie de microphotoluminescence, et une exaltation de leur taux d’émission zéro phonon est démontrée. Cependant, une analyse quantitative révèle une faible efficacité quantique, motivant le choix d’un autre émetteur pour la suite. L’attention est alors tournée vers le centre W. Une exaltation du taux de recombinaison total est obtenue pour un ensemble de centres W en cavité à miroir de Bragg circulaire. Grâce à une analyse quantitative basée sur du calcul par différences finies dans le domaine temporel, une haute efficacité quantique est estimée. Ces résultats étant encourageants dans le cadre de l’émission de photons uniques, un montage optique est développé pour résoudre des émetteurs uniques et une stratégie est mise en place pour fabriquer des émetteurs isolés, menant à l’observation de centres W uniques dans du silicium-sur-isolant non-gravé. En utilisant un procédé de fabrication permettant un positionnement déterministe, les émetteurs sont intégrés dans des cavité à miroir de Bragg circulaire, menant à une exaltation de leur intensité de photoluminescence de plusieurs ordres de grandeur par effet Purcell. Ce travail mène à la démonstration d’une source d’impulsions à photons uniques.Un prochain jalon sera la démonstration d’une source de photons uniques pour la photonique quantique intégrée, à partir d’un centre coloré dans une cavité optique couplée à un guide d’onde. Au-delà de l’intérêt pour la photonique quantique intégrée, l’observation d’une photoluminescence intense pour un centre unique offre la perspective d’un plus large panel d’expériences, permettant de sonder des questions fondamentales liées à leur photophysique.
AlGaAs quantum photonics : from device engineering to quantum information protocols La photonique quantique intégrée est l'une des principales approches pour la réalisation de technologies quantiques versatiles et flexibles. Les applications les plus notables vont du calcul quantique et la simulation quantiques aux communications sécurisées. Dans cette thèse, nous relevons certains des défis actuels de la photonique quantique intégrée avec l'aide de la plate-forme AlGaAs. Grâce à sa non-linéarite optique du second ordre, son haut indice de réfraction et son important coefficient électro-optique, ce matériau est particulièrement adapté à la génération et la manipulation sur puce de paires de photons intriqués à température ambiante et aux longueurs d'onde télécom. Ce travail de thèse est divisé en deux axes de recherches parallèles : d'une part l'intégration monolithique de nouvelles fonctionnalités sur une puce photonique quantique AlGaAs et d'autre part l'application des sources AlGaAs de photons intriqués aux communications quantiques. Dans le premier projet, nous avons commencé par montrer l'intégration monolithique d'une ligne à retard électro-optique avec une source SPDC AlGaAs de paires de photons. La ligne à retard présente une tension pi/2 de 9 V, ce qui permet de contrôler l'état des photons directement sur la puce en utilisant des composants électroniques standards. En outre, nous sommes parvenus à intégrer un séparateur de polarisation large-bande avec une source AlGaAs sur une même puce monolithique. Ce dispositif a permis de montrer une séparation efficace des polarisation avec un taux de séparation excédant les 90 % sur une bande spectrale de 45 nm. Nous avons caractérisé l'indiscernabilité spectrale des photons intriqués à la sortie du séparateur de polarisation en réalisant une interférométrie Hong-Ou-Mandel. Nous avons mesuré une visibilité de 80 %, intrinsèquement limitée par la biréfringence de la source, ce qui montre que nous parvenons à séparer de manière déterministe les paires de photons directement sur puce sans altérer leur état quantique. Dans le second projet, nous exploitons la haute qualité et large bande spectral de l'état intriqué en polarisation généré par notre source SPDC AlGaAs pour construire un réseau de communication quantique reconfigurable. Nous avons tout d'abord montré la haute qualité de l'intrication en mesurant une fidélité à un état de Bell de plus de 95 % sur une bande spectrale de 26 nm. Nous avons ensuite combiné notre source avec des techniques de multiplexage flexible en longueur d'onde issues de l'industrie télécom afin de démontrer la distribution d'intrication dans un réseau reconfigurable comprenant jusqu'à 8 utilisateurs. Nous avons appliqué notre architecture à la distribution de clé quantique en montrant un faible taux d'erreurs et un haut taux de clé secrète sur une multitude de canaux fréquentiels en incluant les effets de taille finie, le tout à travers des lien fibrés à l'échelle métropolitaine. Enfin, nous avons illustré la flexibilité de notre architecture en adaptant l'allocation de bande passante à certaines contraintes du réseau telles que le déséquilibre entre les distances des liens inter-utilistateurs. L'ensemble de ces résultats montre le potentiel de la plateforme AlGaAs pour l'implémentation de technologies quantiques versatiles ainsi que leur intégration dans les futurs réseaux quantiques à grande échelle.
Dispositifs photoniques hybrides III-V/SI pour l'information quantique Les technologies quantiques photoniques représentent une plateforme prometteuse pour diverses applications de l'information quantique, allant des communications longue distance à la simulation de phénomènes complexes. D'une part, les avantages offerts par les photons comme support pour l'information quantique (résistance à la décohérence, propagation sur de très longues distances, large choix de degrés de liberté pour encoder l'information) en font le choix privilégié pour de nombreuses applications relatives aux communications quantiques. D'autre part, l'émergence de la photonique quantique intégrée a conduit à la démonstration de la manipulation de photons sur des circuits complexes avec une stabilité de phase quasi parfaite. Parmi les nombreuses plates-formes explorées, les puces de silicium sur isolant (SOI), déjà utilisées dans de nombreuses applications de photonique intégré, disposent d'un large éventail de composants optiques intégrés matures, ainsi que d'une compatibilité aux procédés de fabrication industriels (CMOS) essentielle pour la diffusion à grande échelle de ces technologies. Si cette plateforme semble se prêter parfaitement pour la manipulation et la détection sur puces de photons uniques, la génération efficace et compacte d'états non classique de la lumière lui fait aujourd'hui encore défaut. Au contraire, les puces semi-conductrices AlGaAs se distinguent par leur fort potentiel pour réaliser des sources d'états non classique de lumière, grâce à leur forte non-linéarité et leur gap direct permettant à la fois une bonne efficacité et une grande intégrabilité de ces sources. Cherchant à tirer profil de la complémentarité entre ces deux plateformes, ce travail présente le développement d'une source hybride de paires de photons télécom à large bande spectrale composé d'un guide d'ondes AlGaAs basé sur des réflecteurs de Bragg directement intégré sur un guide d'onde de silicium. Cette source prend en charge deux des trois types d'accords de phase (ADP) autorisés par la structure cristalline, offrant ainsi une grande polyvalence dans la polarisation des photons émis pour diverses applications. Ce travail détaille de nombreuses stratégies de couplage dites évanescentes pour le transfert de mode optique des photons jumeaux générés dans l'AlGaAs vers le silicium. Les procédés de fabrication en salle blanche de la structure hybride sont ensuite détaillés, avec notamment la stratégie visant à reporter la plateforme AlGaAs sur la plateforme SOI. Finalement la structure hybride est caractérisée en termes de transmission optique, de réponse non linéaire et de génération de paires de photons, pour évaluer la non-classicité de l'état à deux photons généré, une mesure de l'intrication énergie-temps est réalisée à l'aide d'un interféromètre de Franson en fibre optique en configuration repliée. L'étude de la visibilité de l'intrication énergie-temps permet de démontrer la nature quantique des états générés par des visibilités dépassant 92 %, observées pour les processus de génération de type 0 et de type 2. Cette visibilité élevée, associée à la résistance intrinsèque aux perturbations de l'environnement, positionne cette source hybride comme une ressource précieuse pour les applications de l'information quantique.
Conception d'un circuit en photonique sur silicium pour des applications en cryptographie quantique La distribution quantique de clés (QKD) offre une sécurité inconditionnelle fondée sur les principes de la mécanique quantique, représentant une solution prometteuse face aux vulnérabilités des protocoles cryptographiques classiques exposés aux capacités de calcul en constante évolution. Pour permettre un déploiement à grande échelle des systémes QKD, une plateforme stable, scalable et économiquement viable est essentielle. Dans ce contexte, la photonique sur silicium s'impose comme un candidat solide, offrant une compatibilité CMOS, une densité d'intégration élevée et des procédés de fabrication matures. Cette thèse explore la conception, la fabrication et la validation expérimentale d'une source QKD intégré réalisé sur une plateforme en silicon-on-insulator (SOI).Le travail commence par une introduction à la QKD et à la photonique intégrée, en examinant les principes théoriques et les motivations technologiques qui motivent leur intégration conjointe. En se basant sur le protocole choisi, les composants nécessaires à la réalisation d'un émetteur intégré sont identifiés et étudiés en détail. La conception de chaque composant repose à la fois sur des modélisations analytiques et des simulations numériques, avec une attention particulière portée aux compromis entre performance, encombrement et compatibilité avec la plateforme technologique de STMicroelectronics. Des prototypes ont été fabriqués dans le cadre de deux differents wafers, dontle second, optimisé, a démontré de meilleures performances.À partir des composants validés, un setup expérimental complet est développé pour évaluer la fonctionnalité de la source QKD intégré. Celui-ci comprend le packaging de la puce SOI sur une carte PCB sur mesure avec des lignes de transmission adaptées en impédance, l'intégration d'une source laser externe, ainsi que la mise en oeuvre d'un système de contrôle incluant une plateforme FPGA. Le dispositif de réception repose sur une configuration interférométrique en espace libre et sur des superconducting nanowire single-photon detectors (SNSPDs).Les travaux présentés démontrent avec succès la faisabilité d'un émetteur QKD basé sur la photonique sur silicium, offrant une solution évolutive et compacte pour la cryptographie quantique. Les objectifs à court terme incluent la démonstration complète d'un échange de clés et l'optimisation des pertes d'insertion liées au couplage et au packaging. Une transition vers des récepteurs plus compacts et l'intégration du contrôle électronique sur une plateforme monolithique constituent des perspectives à plus long terme, essentielles pour permettre le déploiement d'un système QKD intégré dans des réseaux réels.