Photonique sur silicium pour les communications quantiques 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.
Photonique sur silicium pour les communications quantiques 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.
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.
Photonique quantique intégrée pour les applications quantiques Cette thèse porte sur la réalisation d’un composant pour la communication quantique à base d’optique intégrée sur niobate de lithium. Nous avons exploité simultanément les propriétés optiques non linéaire et électro-optique du niobate pour générer les états à deux photons configurables et annoncés. En utilisant un laser de pompe en régime picoseconde et des composants issus des technologies des télécommunications, nous avons démontré la capacité à produire divers états à deux photons codés en chemin, montrant 94% de visibilité brute pour l'interférence de type Hong-Ou-Mandel (HOM). La polyvalence et les performances d'une telle source d'intrication photonique aussi fortement intégrée permettent d'explorer des protocoles de traitement de l'information quantique plus complexes trouvant des applications dans les tâches de communication et de métrologie quantiques. Pour permettre l'interférence à deux photons sur la puce, la synchronisation préalable de deux impulsions de pompe à l’entrée de la puce est cruciale. Inspiré par l'expérience des doubles fentes de Young, nous avons synchronisé deux impulsions avec une précision de 100 µm en étudiant le contraste des franges d'interférence lors de la variation du retard relatif de ces impulsions. À l'aide d'un auto-corrélateur et d’un spectromètre, le produit temps-fréquence des impulsions de la pompe a été caractérisé avec précision, puis nous avons identifié la taille des filtres requis pour obtenir des états purs à 99%. La visibilité de l'interférence à deux photons étant liée à la puissance de la pompe, une étude théorique visant à déterminer le niveau de puissance approprié de la pompe a également été réalisée. Enfin, la capacité à générer un état intriqué à deux photons de haute qualité a été démontrée par une mesure de coïncidence quadruple reposant sur des détecteurs supraconducteurs de photons uniques (SNSPD) et un convertisseur temps-numérique programmable. Durant cette thèse, les SNSPDs ont été calibrés, puis un algorithme de comptage logique basé sur Labview a été développé, afin d'enregistrer efficacement et précisément les coïncidences quadruples pour les états N00N et états produits.
Les photons uniques sont idéaux pour transporter l’information quantique sous forme de qubits car ils présentent une très faible décohérence et se prêtent donc bien aux communications quantiques. Pour cette même raison, ils constituent une voie prometteuse pour le calcul quantique exploitant le paradigme MBQC (Measurement-Based Quantum Computing). La miniaturisation des fonctions de génération, encodage, manipulation et détection de photons uniques est essentielle pour la future industrialisation des applications quantiques. La photonique intégrée, combinée aux technologies standard CMOS, offre une voie privilégiée.Les Détecteurs de Photons Uniques à Nanofils Supraconducteurs (SNSPDs) discrets présentent une efficacité proche de 100% et de bonnes performances temporelles, mais leur intégration sur puce reste un défi. L'objet de cette thèse est le développement de SNSPDs intégrés de façon monolithique par couplage évanescent sur des guides d'onde en Si ou SiN sur des substrats en silicium de 200 mm de diamètre, afin d’éliminer les pertes de couplage avec les autres composants. Les guides en Si sont bien adaptés aux longueurs d’onde télécom exploitées pour les communications quantiques tandis que les guides en SiN permettent d'étendre la gamme de longueurs d’onde, notamment à 925 nm, qui est la longueur d’onde d’émission des sources de photons uniques à boîtes quantiques III-V, actuellement les plus performantes pour le calcul quantique photonique. Les guides en SiN sont également intéressants à 1550 nm car ils présentent de très faibles pertes de propagation.Quatre configurations de nanofils de différentes longueurs ont été conçues à 1550 et 925 nm, depuis la plus simple où le nanofil est en ligne droite centrée au-dessus du guide, jusqu’aux géométries les plus compactes et les moins sensibles au désalignement lithographique en forme de U, de S et de W.La technologie de fabrication a été développée selon un procédé entièrement compatible CMOS sur des substrats de 200 mm de diamètre, incluant la planarisation des guides en Si ou SiN, le dépôt d’une couche fine de NbN de bonne qualité, la structuration de nanofils de 100 nm de large et leur métallisation. La qualité cristalline du matériau supraconducteur NbN utilisé influence directement sa température critique (Tc). En poursuivant les études antérieures sur l'optimisation de films supraconducteurs ultrafins en NbN déposés sur du silicium cristallin, nous démontrons que l'introduction d'une couche sous-jacente de 10 nm d'AlN peut également accroître la température critique du NbN de plus de 2 K sur une couche amorphe en SiN. Dans les deux cas, l’AlN est suffisamment texturé pour orienter également la couche de NbN grâce à une relation épitaxiale entre AlN et NbN. Cette légère élévation de la Tc est importante car elle garantit le fonctionnement des détecteurs dans des cryostats compacts en cycle fermé à une température de 2.3 K. Les mesures de résistivité à température ambiante des nanofils montrent une excellente uniformité de fabrication de plus de 98 %.Une technique de packaging optique et électrique robuste a été développée de façon à pouvoir tester les détecteurs réalisés à 2.3K. Ceux-ci présentent des efficacités entre 70 et 80%, à 925 et 1550 nm, avec un bruit limité entre 10 à 100 Hz, des temps de récupération ne dépassant pas 5 ns, des taux de comptage maximum de plus de 100 MHz et des gigues temporelles inférieures à 100 ps. Ces résultats très prometteurs ouvrent la voie à l’intégration des SNSDPs dans des circuits de réception pour les protocoles de communication quantique ainsi que dans des circuits de calcul quantique photonique.
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.
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.
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.