Guides d'onde monocristallins pour les technologies quantiques // Monocrystalline waveguides for quantum technologies

Cette thèse a pour objectif le développement d'une plateforme innovante de photonique intégrée fonctionnant à la longueur d'onde des télécommunications, à base d'ions de terre rare distribués dans des matrices oxydes pour des dispositifs de technologie quantique avancés. Elle s'appuiera sur les avancées réalisées dans l'équipe pour développer et optimiser des guides d'onde monocristallins en Y₂SiO₅ dopé aux ions Er³⁺, destinés aux technologies quantiques telles que les mémoires quantiques et l'analyse spectrale. Les guides de type 'shallow ridge' ont été identifiés comme un bon compromis entre confinement du champ optique et faisabilité technologique. Toutefois, des améliorations sont nécessaires, notamment pour mieux contrôler l'aplanissement des surfaces et réduire la rugosité afin de minimiser les pertes optiques.

La thèse visera d'abord à optimiser la fabrication de ces guides en perfectionnant les étapes technologiques, notamment la gravure, l'adhésion et les post-traitements, afin d'améliorer la reproductibilité et le contrôle de l'épaisseur des membranes. Un travail approfondi sera également consacré à la caractérisation optique et spectroscopique des dispositifs, avec des mesures de pertes optiques, de dépolarisation et une analyse détaillée des propriétés spectroscopiques des ions erbium. Une attention particulière sera portée aux contraintes résiduelles induites par le procédé, grâce à des méthodes de caractérisation spectroscopique et interférométrique.

Une fois fabriqués et optimisés, ces guides d'onde seront testés dans des dispositifs de mémoire quantique en vue d'identifier le protocole le plus adapté, qu'il s'agisse de l'Atomic Frequency Comb (AFC), du Gradient Echo Memory (GEM) ou du Noise Less Photo Echo (NLPE). L'utilisation d'une structure guidée pourrait significativement améliorer leurs performances en augmentant le contraste des structures inscrites dans le profil d'absorption et en réduisant le bruit. En parallèle, ces guides seront étudiés dans le cadre de l'analyse spectrale afin d'évaluer leur impact sur la sensibilité de détection, la dynamique et la résolution fréquentielle.

Enfin, le procédé technologique développé sera appliqué à d'autres matrices cristallines telles que Y₃Al₅O₁₂ (YAG) et CaWO₄, qui présentent des avantages en termes de bruit magnétique, de polarisation et de compatibilité avec la gravure sèche. Cette dernière partie, plus exploratoire, viendra compléter les travaux de caractérisation et ouvrira la voie à de nouvelles perspectives dans le domaine des guides d'onde pour les technologies quantiques.
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This thesis aims to develop an innovative integrated photonics platform operating at telecommunication wavelengths, based on rare-earth ions distributed in oxide matrices for advanced quantum technology devices. It will build on the progress recently made in the team to develop and optimize single-crystal waveguides in Y₂SiO₅ doped with Er³⁺ ions, aimed at quantum technologies such as quantum memories and spectral analysis. Shallow ridge waveguides have been identified as a promising compromise between optical field confinement and technological feasibility. However, further improvements are needed, particularly in surface planarization control and roughness reduction to minimize optical losses.

The thesis will first focus on optimizing the fabrication of these waveguides by refining key technological steps, including etching, bonding, and post-processing, to enhance reproducibility and membrane thickness control. Extensive work will also be dedicated to the optical and spectroscopic characterization of these devices, with measurements of optical losses, depolarization, and a detailed analysis of the spectroscopic properties of erbium ions. Special attention will be given to residual mechanical stress induced during processing, using spectroscopic and interferometric characterization techniques.

Once fabricated and optimized, these waveguides will be tested in quantum memory devices to identify the most suitable protocol, whether Atomic Frequency Comb (AFC), Gradient Echo Memory (GEM), or Noise Less Photo Echo (NLPE). The use of guided structures could significantly enhance performance by increasing the contrast of absorption structures and reducing noise. At the same time, these waveguides will be studied for spectral analysis applications to evaluate their impact on detection sensitivity, dynamic range, and frequency resolution.

Finally, the developed technological process will be applied to other crystalline matrices, such as Y₃Al₅O₁₂ (YAG) and CaWO₄, which offer advantages in terms of magnetic noise, polarization, and dry etching compatibility. This last, more exploratory aspect will complement the characterization work and pave the way for new opportunities in waveguide-based quantum technologies.
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Début de la thèse : 01/10/2025
WEB : http://www.institut-langevin.espci.fr/atomic_processors

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Programmes ministériels spécifiques*Concours pour un contrat doctoral*

ESPCI Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la ville de Paris (PSL)

564 Physique en Ile de France

Formation sur les technologies quantiques, gout pour le travail expérimental, le travail en équipe
Training on quantum technologies, taste for experimental labwork, and teamwork