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.
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.
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 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.
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.
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.
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.
Développement de détecteurs de photons uniques supraconducteurs intégrés sur guide silicium pour l'information quantique Le traitement quantique de l'information apporte de nouveaux protocoles et de nouvelles fonctionnalités dans le domaine des communications en garantissant une sécurité absolue du transfert de l'information et dans le domaine du calcul, avec la perspective d'effectuer très rapidement des calculs massivement parallèles. La deuxième révolution quantique est amorcée car ces concepts sortent des laboratoires théoriques pour devenir des applications industrielles concrètes grâce aux technologies intégrées. Les photons constituent un excellent support de l'information quantique pour ces deux applications. Trois composants-clés sont nécessaires : une source de photons uniques, un circuit passif reconfigurable permettant de les manipuler et un détecteur de photons uniques. L'objectif de cette thèse est de concevoir, fabriquer et caractériser des détecteurs de photons uniques supraconducteurs intégrés sur silicium, présentant une grande largeur spectrale autour de la longueur d'onde telecom de 1.55 µm, avec une absorption supérieure à 95% et la possibilité de résoudre le nombre de photons reçus. Cette thèse sera effectuée en collaboration entre l'INAC et le département d'optique et photonique du Leti, permettant d'allier les expertises et savoir-faire complémentaires des deux laboratoires. Cette thèse sera effectuée en parallèle de développements de sources de photons uniques intégrées sur silicium et apportera une brique essentielle pour l'intégration sur la même puce d'un circuit complet permettant de générer, manipuler et détecter des photons uniques pour les communications sécurisées et le calcul quantique.