Academic literature on the topic 'Photonique – Optique'

Ces dernières années, la métropole lilloise s’est imposée comme un pôle de recherche académique incontournable dans le domaine de la photonique. C’est notamment le cas des travaux en optique fibrée, en optique non-linéaire, en topologie ou encore en photonique-Terahertz, qui ont une forte visibilité internationale. En lien étroit avec les grandes universités, le Conseil Régional et des industries implantées en région, ces activités structurent recherche et formation dans la métropole lilloise.

La région Grand Est a été le berceau de plusieurs découvertes majeures de la photonique, notamment la fabrication et la caractérisation des matériaux optiques non-linéaires, les applications industrielles de l’holographie ou encore le développement de la nano-optique. Forte de cette histoire et de sa position stratégique européenne, la région Grand Est s’inscrit demain dans la création de l’Institut de la Photonique, sous la forme d’un consortium large d’acteurs publics et privés en France et au Luxembourg animé depuis un bâtiment principal à Metz.

L’essor des communications en espace libre transforme notre façon de partager l’information. La photonique moyen infrarouge y joue un rôle essentiel, permettant des échanges plus rapides et sécurisés, et ouvrant ainsi de nouvelles perspectives passionnantes pour les liaisons optiques.

La source de photon unique est un composant clef pour le développement des technologies quantiques. À ce jour, les sources les plus performantes exploitent l’émission spontanée d’une boîte quantique semiconductrice, canalisée dans un mode optique bien défini grâce à une nanostructure photonique. Nous présentons une approche originale, la trompette photonique, qui a permis de réaliser des sources monomodes, efficaces et d’une grande agilité spectrale. Par ailleurs, ces objets possèdent des propriétés optomécaniques remarquables et permettent de réaliser des capteurs ultrasensibles.

La technologie photonique intégrée sur silicium s’est développée depuis les années 2000 avec comme objectif principal de répondre au besoin croissant du réseau internet en composants d’émission et de réception à très haut débit sur fibre optique. Aujourd’hui, plusieurs fonderies proposent des plateformes matures et des produits sont commercialisés. Une nouvelle génération technologique est développée afin d’élargir les domaines d’application de la transmission au traitement optique de données.

L’avènement des fibres à cristal photonique dans les années 90 a été une révolution sur les plans tant scientifique qu’applicatif. Leur structuration transverse complexe leur confère en effet des propriétés de guidage inédites. Les fibres optiques topographiques introduites dans les années 2010 offrent, quant à elles, un degré de liberté supplémentaire grâce à leur structuration longitudinale contrôlée. Bien que leur potentiel applicatif soit loin d’être totalement exploré, elles ont déjà été largement exploitées en optique guidée.

Si le verre possède de nombreux atouts, ses propriétés optiques sont parmi les plus remarquables. Sa transparence et son indice de réfraction ont longtemps été reliés exclusivement à sa composition globale. Cependant, la structuration des propriétés optiques en surface ou au coeur du verre, à l’échelle micro ou nanométrique, connait un engouement particulier ces dernières années. Nous nous intéressons dans cet article à la structuration multidimensionnelle des verres par des impulsions lasers ultracourtes ou par l’insertion de nanoparticules au sein de fibres optiques. Cette approche mène à de nouvelles applications en photonique, mais aussi en optofluidique, optomécanique, micromoulage d’optiques ou encore pour le stockage optique pérenne d’informations.

Certains matériaux changent de propriétés physiques sous lumière. Comprendre les mécanismes élémentaires pilotant ces transitions de phases photoinduites, où l'excitation électronique réorganise la structure moléculaire et induit de nouvelles fonctions, nécessite d'observer la matière se transformer à l'échelle de temps de ~10 femtosecondes à l’aide d’expériences pompe-sonde de spectroscopie optique au laboratoire et de spectroscopie de rayons X sur X-FEL.

En complément aux méthodes traditionnelles d’observation et de stimulation en neuroscience, l’optogénétique, combinant l’expression ciblée de protéines photosensibles dans les neurones et l’utilisation de nouvelles techniques de microscopies, a connu un essor important ces dernières années. Ce nouveau procédé permet d’enregistrer de manière non invasive les signaux fonctionnels de circuits intacts tels que les changements de potentiel de membrane ou de concentration intracellulaire de calcium mais également de moduler l’excitabilité des neurones. Pour illuminer ces protéines photosensibles, de nouvelles méthodes de microscopie ont été développées. En particulier, afin d’obtenir une résolution spatiale optimale au sein d’un tissu biologique, il devient nécessaire d’utiliser l’illumination bi-photonique et d’utiliser des techniques permettant la mise en forme du faisceau lumineux pour s’adapter à la morphologie des circuits ou même des neurones étudiés.Au cours de ma thèse, j’ai développé une combinaison de méthodes optiques (associant le contraste de phase généralisé avec la focalisation temporelle) afin d’activer le canal cationique channelrhodopsin-2 en excitation bi-photonique. Ce travail a démontré, pour la première fois, l’activation simultanée de potentiels d’action dans plusieurs cellules tout en conservant une résolution axiale à l’échelle cellulaire (~10 μm).La mise en forme du faisceau lumineux semble très avantageuse pour améliorer la spécificité de l’activation. Il restait à démontrer que les faisceaux ainsi modulés conservaient leur intégrité spatiale en se propageant à l’intérieur de tissus biologiques diffusants. J’ai donc étudié la propagation de faisceaux lasers modulés par les techniques du contraste de phase généralisé et de l’holographie numérique en combinaison avec la focalisation temporelle. L’utilisation de la focalisation temporelle permet aux volumes d’excitation de rester confinés sur l’axe de propagation comme observé précédemment, mais aussi de reconstruire un profil d’excitation en profondeur dans le tissu, qui correspond au profile généré sans milieu diffusant. Cet effet est plus important pour le contraste de phase généralisé que pour l’holographie numérique et se dégrade en fonction de la profondeur à laquelle l’activation a lieu. J’ai démontré pour la première fois, l’activation en profondeur (> 200 μm) de neurones grâces à ces méthodes.Enfin, j’ai testé les mêmes techniques d’illumination sur d’autres protéines photosensibles, telles que la C1V1 et l’halorhodopsin. Après avoir établi les spectres d’activation afin de trouver la longueur d’onde optimale pour l’activation bi-photonique, j’ai exprimé ces protéines dans des tranches de cerveaux. Les deux protéines requièrent une activation à 1040 nm à la limite du laser Ti:Sapphire utilisé dans de nombreux laboratoires biologiques. La C1V1 a généré des courants similaires à la ChR2 en terme d’amplitude tout en conservant la lente cinétique de fermeture caractéristique de ce canal. L’halorhodopsin, quant à elle, reste difficile à activer avec de faibles courants et ne permet pas une inhibition sélective de trains de potentiels d’action. Ce problème est probablement dû à un faible taux d’expression observé dans les neurones étudiés et serait peut-être résolu en changeant de construction virale
Optogenetics relies on the genetically targeted expression of light sensitive proteins in specific cell populations. This novel field has had a large impact in neuroscience, allowing both monitoring and stimulating the activity of specific neuronal populations, in intact brain preparations. Optogenetic tools have been used to record functional signals, such as changes in membrane potential or intracellular calcium concentration, as well as to modulate the excitability of neurons. To fully exploit the potentiality of optogenetics, new microscopy techniques have been developed to optimize illumination of photo-active compounds in situ. In particular, an important effort has been directed towards improving the spatial and temporal resolution of light stimulation, in order to match the dynamics of physiological processes. In this frame, the use of two-photon excitation becomes necessary to ensure penetration of light in scattering biological tissues, as well as confining the excitation volume and improve the specificity of illumination. My thesis was dedicated to the development and use of advanced optical methods for two-photon excitation of optogenetic tools. In a first project, we combined optical approaches (generalized phase contrast and temporal focusing) to perform two-photon activation of neurons expressing the light-sensitive cationic channel channelrhodopsin-2 (ChR2). Our work demonstrated for the first time the simultaneous generation of action potentials in multiple neurons, while maintaining a micrometric axial and lateral resolution. These results pointed out the advantages of light sculpting to increase both the specificity and the flexibility of photo-stimulation.In order to investigate the potential of this technique for efficient in-depth stimulation, we therefore studied the propagation through scattering biological media of laser beams generated by two different light patterning techniques, generalized phase contrast and digital holography in combination with temporal focusing. We demonstrated that temporal focusing enabled the excitation volumes to maintain micrometric axial confinement, as well as to maintain well defined patterns deep inside tissues. We also demonstrated for the first time the activation of ChR2 at depth over 200 μm.Finally, the last part of my PhD was focused on testing light patterning methods for the activation of two other photosensitive proteins, the excitatory channel C1V1 and the inhibitory pump, halorhodopsin

Les travaux de cette thèse apportent une contribution théorique et expérimentale aux études portant sur les cristaux photoniques planaires à fente pour l'exaltation locale du champ électromagnétique. Nous avons étudié la propagation de lumière lente dans des cristaux photoniques à fente en réalisant une ingénierie de dispersion et le confinement de la lumière dans des micro-cavités à fente structurée. Nous avons pour cela effectué des calculs 3D pour optimiser les propriétés de dispersion des cristaux photoniques en structurant la fente elle-même. Cette optimisation a permis d'observer un renforcement de la localisation du champ électromagnétique dans la fente en vue d'un remplissage par des matériaux fortement non linéaires. Nous avons développé un procédé de fabrication pour les cristaux photoniques dans des structures en silicium sur isolant basé sur la lithographie électronique et la gravure plasma. Le régime de lumière lente a été caractérisé expérimentalement et nous a permis de valider la méthode d'optimisation choisie. Des facteurs de ralentissement supérieurs à 10 ont été mesurés dans des dispositifs allant jusqu'à 1 mm de long. Des micro-cavités à fente avec des facteurs de qualité supérieurs à 20000 sur substrat SOI ont été réalisées. Nous avons effectué des mesures d'optique non linéaire dans des guides à cristaux photoniques à fente et avons montré que les effets non linéaires du silicium sont réduits malgré l'exaltation du champ électromagnétique comparés à ceux présents dans des guides à cristaux photoniques standards. Nous avons enfin étudié les pertes le désordre dans ce type de structure par mesures de réflectométrie optique à faible cohérence.

Le but de cette thèse est de développer des sources d’intrication photonique en vue d'applications en sciences information quantique. Dans ce contexte, nous présentons une source très performante et entièrement guidée permettant, au moyen d'une boucle de Sagnac, la génération d'états hyper-intriqués en polarisation et en énergie-temps. La configuration guidée rend le dispositif versatile, efficace et compatible avec une large bande spectrale, répondant ainsi au besoin des systèmes et réseaux de communication fibrés. À cette fin, nous avons distribué simultanément dans différents canaux télécoms des paires de photons hyper-intriqués au moyen de multiplexeurs en longueur d'onde à 5 canaux (DWDM), augmentant de fait le débit. La qualité de l'intrication est validée par la violation d'une inégalité de Bell étendue à un espace de Hilbert à 16 dimensions. Afin de pouvoir interfacer des photons aux longueurs d'ondes des télécommunications avec les bandes d'absorption des mémoires quantiques situées dans le visible, nous avons également développé une interface cohérente en longueur d'ondes. Un nouveau dispositif de métrologie quantique permettant la mesure avec une précision inégalée des effets de la dispersion chromatique dans les fibres optiques standards est également proposé. Notre approche "quantique" améliore la précision par un facteur 2.6 par rapport aux méthodes de mesures conventionnelles. Dans ce même contexte, nous avons aussi implémenté un nouveau protocole de métrologie de la phase de deux photons en ne détectant uniquement qu'un seul photon. Cette réalisation ouvre la voie à des applications potentielles simples s'appuyant sur peu de ressources au niveau de la détection. Finalement, dans la perspective de la miniaturisation de dispositifs quantiques, nous avons démontré un générateur d'intrication annoncée intégré sur puce qui trouve des applications en calcul et métrologie quantique
The aim of this thesis was to develop photonic entanglement sources and study their implementation in the general field of quantum information technologies. To this end, a novel fully wave-guided, high performance photonic entanglement source is presented, able to generate hyper-entangled states in the observables of polarization and energy-time by means of a nonlinear Sagnac loop. The waveguide-based design makes it flexible, reliable, and adaptable to a wide spectral range, paving the way towards compact photonic entanglement generators, compatible with fiber-based communication systems and networks. This has been underlined by generating and distributing hyperentanglement in 5x2 dense wavelength division multiplexed channel telecom pairs, simultaneously, towards higher bit rates. The quality of the generated entanglement has been qualified by violating the Bell inequalities in a 16-dimension Hilbert space. Moreover, to adapt the wavelength of the entangled telecom photon pairs to the absorption wavelength of current quantum memory systems, a coherent wavelength converter is demonstrated. Furthermore, within the framework of quantum metrology, a new concept for a high-precision chromatic dispersion (CD) measurement in standard single mode fibers is introduced and demonstrated. In this demonstration, due to conceptual advantages enabled by quantum optics, an unprecedented 2.6 times higher accuracy on CD measurements is shown, compared to state-of-the-art techniques. In the same context, a new protocol for measuring two-photon phase shifts is performed using single photon detection only, promising scalable and potential real device applications with limited resources and simplified detection schemes. Finally, any potential application of quantum optics will be realized using small-scale devices. In this framework, an integrated on-chip heralded path entanglement generator is demonstrated, and shown to be adaptable to logic gate operations

Cette thèse présente une utilisation de la réflectométrie optique à faible cohérence (OLCR) sensible à la phase dans le but de caractériser et d'étudier un ensemble de composants photoniques innovants. Il s'agit de monter comment l'OLCR sensible à la phase apporte des réponses aux questions liées au fonctionnement de ces composants ou aux principes théoriques qui régissent ce fonctionnement. Pour commencer, nous définirons un cadre à cette étude en présentant les grandeurs physiques utiles à sa compréhension mais aussi un état de l'art non exhaustif des méthodes de caractérisation optique existantes pour mieux cerner le rôle et les spécificités de la méthode OLCR. Ensuite, nous détaillerons le principe théorique, les diverses applications ainsi que les limites physiques de performances de la technique OLCR. Enfin, nous présenterons un ensemble de résultats concernant les différents composants étudiés. Nous traiterons, dans un premier temps, des mesures concernant les fibres optiques avec notamment la mesure du lien indice/amplification dans une fibre dopée Erbium, l'analyse de l'évolution spatiale des paramètres d'une fibre micro-structurée ou encore la caractérisation complète des valeurs de dispersion des modes d'une fibre multi-mode. Dans un second temps, nous aborderons la caractérisation de guides membranaires à cristaux photoniques et, en particulier, l'étude du ralentissement de la lumière et des phénomènes de diffusion dans ces guides. Nous essaierons, pour chacun des cas présentés, d'établir clairement les enjeux et objectifs de l'étude avant de conclure l'ensemble par un récapitulatif des travaux effectués et une mise en perspective de cette thèse
The purpose of this work is to use the phase-sensitive Optical Low-Coherence Reflectometry (OLCR) method in order to study and characterize a large panel of innovative photonic components. We aim at showing that phase sensitive OLCR can bring several answers to key issues regarding the physics of such components. We will first define a frame to this study by presenting the physical properties useful to the understanding of it and by presenting a non-complete state of the art of the existing characterization methods in order to determine the role and the specificities of the OLCR. We will then show the OLCR technique itself. We will describe its theoretical principle, its applications and its limitations. Eventually, we will present several results for the different compnents that have been studied. Starting with optical fibers we will present some measurements of the index/amplification relation in an Erbium doped fiber amplifier, the analysis of the spatial evolution of the optical parameters of a micro-structured fiber or the characterization of the dispersion values of the modes of a multi-mode fiber. The second part will concentrate on the characterization of photonic crystal slab waveguides and, more specifically, the link between slow light effects and scattering in those guides. We will try in each of these studies to define clearly the context and the aims before summing up these resutls and presneting future perspectives

Depuis les premiers travaux d’Ashkin sur les pinces optiques classiques, beaucoup d’efforts ont été fait pour piéger des nano particules. Néanmoins, elles peuvent difficilement piéger des particules inférieures à 200 nm à cause des limites imposées par la diffraction. Cette limite peut être dépassée grâce aux forces optiques de gradient provenant du champ évanescent généré et amplifié par des nano cavités photoniques. Cependant, cette approche est confrontée à deux verrous importants pour les applications : La surface de piégeage est très faible ce qui rend peu probable la capture d’une nanoparticule animée d’un mouvement brownien et pour les pinces « ultimes » de type nanoantenne où le mode est confiné dans des régions nanométriques, leur excitation en espace libre n’est pas très efficace. L’objectif de ce travail vise à lever ces deux verrous. Pour augmenter la surface de piégeage, nous présenterons d’abord une approche utilisant le mode de Bloch d’une cavité étendue à double période dans un cristal photonique fabriqué sur SOI. Nous montrerons que cette approche permet le piégeage de particules de 200, 100 et 75 nm sur une surface étendue de 5x5 µm² en utilisant un faisceau laser d’excitation en espace libre. Dans un deuxième temps, nous nous intéresserons à l’excitation optique en espace libre de structures nanométriques. Nous présenterons une structure hybride nano antenne – cristal photonique, où le cristal photonique joue le rôle de réservoir à photons pour la nano antenne. Cela permet ainsi un effet « entonnoir à photon» où la lumière issu d’un faisceau large (5µm) est concentrée dans la nanoantenne. Nous démontrerons la pertinence de cette approche par le piégeage particules de 100 nm
Since the first work on optical tweezers by Ashkin, a lot of efforts have been made to trap nanoparticles. However, optical tweezers are diffraction limited and can hardly trap particles below 200 nm. This limit can be overstepped using the optical gradient forces of an evanescent field generated and amplified by a photonic nano cavity. Nonetheless, this approach faces two major issues for applications: the trapping section is very small, making the capture of a Brownian motion animated particle very unlikely, and for the “ultimate” nano antennas with nanometric optical modes, their excitation from free space is not effective. The goal of this work is to overcome these two difficulties. To increase the trapping surface, we will first present a device using slow Bloch modes within a double period extended cavity designed in a photonic crystal made out of SOI. We will show that this approach allow for the trapping of 200, 100 and 75 nm particles on an extended surface of 5x5 µm² using a free space laser beam excitation. Secondly, we will investigate the free space excitation of nanometric structures. A photonic crystal – nano antenna mixed structure will be presented, where the photonic crystal is used as a photon pool for the nano antenna. This lead to a funnel effect where the light coming from a large free space laser beam (5µm wide) is focused into the nano antenna. The trapping of 100 nm particles will demonstrate the relevance of this approach

Ce mémoire porte sur la conception de lasers hybrides jumelant les bres optiques à la photonique sur silicium. L'objectif principal est de réaliser un laser polyvalent au niveau de ses paramètres d'émission et permettant en plus d'offrir des performances intéressantes pour les communications optiques. Plusieurs approches menant à l'intégration laser sur la plateforme de photonique sur silicium ont été démontrées. Contrairement aux approches d'intégration qui visent à produire une source la plus compacte qui soit, l'approche choisie vise à réaliser un laser performant qui exploite à la fois les performances d'amplication optique des bres dopées ainsi que le potentiel de traitement optique qu'offre la plateforme de photonique sur silicium. Le principe de fonctionnement de même que les modèles théoriques de différentes structures optiques accessibles grâce à la plateforme de photonique sur silicium sont présentés en détail. Ces structures, permettant le guidage optique à l'échelle nanoscopique de même que la manipulation de la lumière, sont des éléments clés pour la conception de ltres optiques pour les cavités laser. Les performances d'un ltre Vernier sur silicium sont analysées grâce à des simulations numériques. Deux types de lasers hybrides accordables sont présentés dans ce document : celui d'un laser multimodes opérant à 1.55 µm et permettant une sélection de l'espacement spectral entre ses modes et celui d'un laser monomode opérant à 2 µm et accordable sur une large plage spectrale. Dans le premier cas, le milieu d'amplication de la cavité est composé d'une bre optique dopée à l'erbium tandis que dans le second, il s'agit d'une bre dopée au thulium. Les différents éléments de la cavité sont modélisés et leurs performances sont simulées à l'aide d'outils numériques. Enn, les performances expérimentales des lasers sont mesurées en laboratoire.
This master's thesis is on the design of a hybrid laser combining optical bers and the technology of silicon photonics. The main objective is to achieve a laser with great control and exibility over its emission parameters and with good performances for the eld of optical telecommunications. Until now, several approaches leading to laser integration on the silicon photonics have been demonstrated. Unlike integration approaches which aim to produce the most compact source possible, the chosen approach aims to produce a high-performance laser which exploits both the optical amplication performance of the doped bers as well as the potential of light processing and precision that oers the silicon photonic platform. The operating principle as well as the theoretical models of dierent optical devices accessible thanks to the silicon photonics are presented in detail. These devices allowing optical connement at the 100-nanometer scale level as well as the manipulation of light are key elements in the design of optical lters for the laser cavity. The performances of a Vernier lter on silicon are analyzed by means of numerical simulations. Two types of hybrid lasers are presented in this document. The rst is a multimode laser allowing a selection of the spectral spacing between its modes. The second type of laser is a single-mode laser operating at 2000 nm and tunable over a range of 100 nm. In the rst case, the amplication medium of the cavity is composed of an optical ber doped with erbium while in the second, it is a ber doped with thulium.

L’intégration des communications optiques sur puce offre de vastes promesses en termes de performances et de réduction de la puissance consommée, les canaux optiques ne souffrant pas des nombreuses limitations des canaux métalliques. De plus, l’information codée optiquement permet d’atteindre des débits de données élevés par le biais du multiplexage en longueur d’onde. Afin de conserver la compatibilité avec les composants électroniques, les communications et composants optiques doivent s’intégrer dans la filière silicium. Cependant, ce dernier matériau ne permet pas d’envisager la réalisation de certaines fonctions optiques, en particulier la source laser. D’autres matériaux doivent ainsi être intégrés pour suppléer au silicium. Mes travaux de thèse portent sur l’intégration de nanotubes de carbone sur plate-forme silicium pour la photonique. Dans ces travaux, le potentiel des nanotubes de carbone pour la réalisation de sources optiques intégrées est exploré. Dans un premier temps, je proposerai des pistes de compréhension de l’apparition du gain optique dans les nanotubes de carbone semiconducteurs par analyse des temps de vie des excitons, mesurés en spectroscopie pompe-sonde. Ces temps de vie sont sensiblement rallongés lorsque la centrifugation des nanotubes de carbone, au cours de l’extraction, est poussée à des vélocités et des temps plus longs. Une explication envisagée est la réduction du nombre de défauts à la surface des nanotubes, ces défauts se comportant comme des centres de recombinaison non-radiatifs. D’autre part, une méthode efficace d’intégration des nanotubes de carbone sur guide d’onde silicium a été proposée. Cette méthode robuste et permet d’observer le couplage de la photoluminescence des nanotubes de carbone avec le mode optique du guide d’onde. Afin d’obtenir une interaction exaltée entre mode optique et nanotube de carbone, le couplage entre les nanotubes et différentes cavités photoniques, incluant microdisques, cavités Fabry-Pérot et micro-résonateurs en anneau, a été étudié. L’emploi en particulier de résonateurs en anneau permet d’observer la structuration de la photoluminescence des nanotubes de carbone par les modes de résonance de l’anneau. Différentes configurations ont été étudiées afin de compléter la compréhension des mécanismes de couplage : micro-photoluminescence, photoluminescence guidée et photoluminescence intégrée
On-chip optical communication may increase drastically performances and consumption of communication systems. Indeed, optical channels do not face limitations that metallics interconnects do. Even better would be the achievable data rate due to the multiplexing possibility in optics. In order to keep compatibility with electronic devices, optical components and interconnects should be built in silicon. However, this material is not suitable for some optical function, such as laser sources. Thus, there is a need to integrate alternative materials to compensate for silicon weaknesses. My PhD work focuses on integration of carbon nanotube on silicon for photonics applications. In this work, potential use of carbon nanotube for light emission function is investigated. First, I will propose clue to understand the appearance of optical gain in semiconducting carbon nanotube. Such investigation is done by mean of pump-probe experiments, where the excitons lifetimes are measured. Those lifetimes slightly increase while centrifugation time and speed is increased, during the extraction process. A possible explanation is that defect-free carbon nanotubes are selected by the centrifugation process. In parallel, I worked on designing an efficient method to couple nanotubes photoluminescence with silicon waveguides. This method appears to be quite robust, and allows to observe coupling between the nanotube photoluminescence and the optical mode of the waveguide. In order to obtain a more intense interaction between the optical mode and carbon nanotubes, I investigated the coupling between carbon nanotubes and several photonic cavities, including microdisks, Fabry-Pérot cavities and ring resonators. Specifically, ring resonators allow to measure the photoluminescence of carbon nanotube structured by the resonant modes. Several configurations are studied to understand more in-depth the coupling mechanisms: micro-photoluminescence, guided photoluminescence and integrated photoluminescence

La photonique silicium apparait aujourd’hui comme le domaine de recherche clef pour les télécommunications optiques avec comme objectif le développement de transmetteurs intégrés compatibles avec la technologie silicium CMOS. Dans ce contexte, mes travaux de thèse ont porté plus spécifiquement sur la structure du modulateur optique sur substrat SOI pour les applications 10 et 40 Gbit/s. La structure active retenue repose sur le mécanisme de déplétion de porteurs au sein d’une jonction polarisée en inverse et permet grâce à un interféromètre Mach-Zehnder de moduler l’intensité du signal optique en sortie. L’étude et l’optimisation des trois figures de mérite principales ont permis de concevoir un modulateur présentant un produit VpLp de 1,7 V. Cm. Des pertes d’insertion de 3 dB et une fréquence de coupure de 35 GHz. La copropagation des signaux électrique et optique a également été étudiée et a validé le fonctionnement du composant jusqu’aux débits de 40Gbit/s. Des échantillons ont été fabriqués au CEA/LETI puis caractérisés à l’IEF. Les résultats expérimentaux obtenus ont permis d’améliorer la conception des modulateurs et d’établir une nouvelle méthode de caractérisation de la région active. Ces travaux ont abouti à la conception d’un modulateur optique silicium présentant des caractéristiques compatibles avec les applications 40Bbit/s et à des résultats généraux pour l’optimisation de ses performances. L’intégration de ce composant avec des sources laser et des photodétecteurs conduira très prochainement à la fabrication d’un transmetteur silicium rapide, nécessaire à l’émergence de la photonique silicium pour les télécommunications optiques intégrées
The silicon photonics has emerged as the key area of research for optical telecommunication with the objective of developing an integrated transceiver fully-compatible with the available CMOS technology. In this context, the work of my thesis is focused on the structure of the optical modulator, integrated on a silicon-on-insulator (SOI) substrate and for applications working at the bitrates of 10 and 40 Gbit/s. Its active structure is based on the carrier depletion obtained in a reverse biased junction and leads to an intensity modulation at the output of a Mach-Zehnder interferometer. The optimization of the structure produced an optical modulator design which exhibits a VpLp product of 1,7 V. Cm. Insertion loss as low as 3dB and a -3 dB cut off frequency of 35 GHz. The light and RF copropagation has been studied as well and has validated the operation of the component at the bitrate of 40 Gbit/s. A CMOS technological process has been established and chips have been fabricated at CEA/LETI then characterized at IEF. Finally, this work has led to the design of a silicon optical modulator with characteristics compatible with 40 Gbit/s applications, as well as general result for the optimization of this component. Its integration with laser sources and photo detectors will lead is the future to the emergence of silicon photonics for integrating optical telecommunication

Cette thèse s'articule autour de l'étude de la cohérence de la lumière produite à partir de sources de paires de photons intriqués et de micro-lasers. Nous avons produit et manipulé des états photoniques intriqués, et conduit des investigations à la fois fondamentales et appliquées. Les deux études menées sur les aspects fondamentaux de la non localité avaient pour but de relaxer partiellement deux contraintes sur lesquelles s'appuie l'inégalité de Bell standard en vue d'applications à la cryptographie quantique. Ainsi, en collaboration avec l'Université de Genève, nous avons redéfini la notion de localité en prenant en compte les influences sur les mesures de corrélations des choix des configurations expérimentales et d'une efficacité globale de détection limitée. Cela a permis de définir des inégalités de Bell généralisées et les violations expérimentales qui en découlent permettent d'attester de la non localité des états quantiques observés. Nous avons aussi étudié et mis en place une solution expérimentale autorisant l'émission de photons intriqués dans des pairs de canaux télécoms pour la cryptographie quantique. Nous avons montré la préservation de l'intrication sur 150 km et obtenu des débits records en comparaison avec les réalisations similaires. Enfin, nous avons étudié les propriétés de l’émission de lasers à semi-conducteurs aux dimensions réduites. L’émission de ces composants microscopiques s'accompagne de grandes fluctuations en intensité lorsque ceux-ci sont pompés en-dessous du seuil laser. Cette étude a permis de mieux comprendre comment se construit la cohérence laser dans ces systèmes
In this thesis we study the coherence of light emitted by entangled photon-pair sources and micro-lasers. We have generated an manipulated entangled photonic states and investigated both fundamental (non locality) and applied (quantum cryptography) research directions. The objective of two fundamental studies on non locality was to partially relax the strong assumptions on which standard Bell tests rely. To this end, we redefined, in collaboration with the University of Geneva, the formalism of locality taking into account the influence, on correlation measurements, of the freedom of choice (in the basis settings) and of the limitation of the overall detection efficiency. Both assumptions allow devising generalized Bell inequalities whose experimental violations indicate that we can still attest for non locality for the observed states. In addition, we have studied and realized an experimental setup allowing to distribute entangled photon pairs in paired telecom channels for high bit rate quantum cryptography. We have shown that entanglement is preserved over a distance of 150 km with record rates for similar realizations, by mimicking classical network solutions exploiting, in an optimal fashion, the capacity of an optical fiber link via dense spectral multiplexing. Finally, we have studied the properties of light emitted by semiconductor lasers showing reduced dimensionality. This micro-lasers actually provide output light under high intensity fluctuations when they are pumped below the threshold. Their study allowed to refine our understanding on how the coherence builds up in these systems as the cavity is filled with photons

Par rapport au traitement électrique des données, en passant au domaine optique et aux circuits nanophotoniques la bande passante disponible augmente considérablement, la parallélisation est intrinsèquement possible et le calcul en mémoire peut être réalisé avec des matériaux à changement de phase. Ce chapitre présente les détails et les applications de cette technologie, jusqu’à un réseau neuronal artificiel optique.