Niobate de lithium en couche mince sur Silicium : Une nouvelle plateforme pour l'optique quantique intégrée // Thin-film lithium niobate on insulator : A new platform for integrated quantum optics

La génération et la manipulation des états quantiques de la lumière est enjeu fondamental pour l'information quantique. Parmi ces états, les états à photons jumeaux, dont l'intrication quantique et la superposition quantique, ont permis des démonstrations passionnantes et révolutionnaires dans le domaine de l'information quantique. Des nombreuses démonstrations d'optique quantique intégrée ont vu le jour, cependant peu nombreuses sont celles impliquant des sources de photon jumeaux et encore moins celles pouvant inclure de façon intégrée les autres étages nécessaires au traitement quantique de l'information : modulateurs, déphaseurs, filtres, .... Depuis quelques années, une nouvelle plateforme intégrée pour la génération d'états quantiques a émergé. Elle est basée sur du niobate de lithium en couche mince sur le silicium (LNOI). Elle cumule les atouts du niobate du lithium, déjà utilisé par la communauté quantique pour ces très forts coefficients non-linéaires et la possibilité d'intégration, avec des atouts nouveaux associés à une diminution de la taille du mode optique (de quelques microns à quelques centaines de nanomètres) qui s'accompagne d'une augmentation de l'efficacité et à une capacité d'intégration accrue grâce à l'intégration sur silicium. Ces atouts nouveaux se rajoutent à la capacité de fonctionnaliser des étages de modulation en intensité et en phase tirant profit des forts coefficients non linéaires électro-optiques du niobate de lithium.
Notre groupe au C2N s'intéresse depuis quelques années à cette nouvelle plateforme avec des premiers résultats de nanofabrication de guides d'ondes optiques et de résonateurs, comme le montre la figure 1. Ces structures sont obtenues par gravure du Niobate de Lithium en utilisant les infrastructures nanotechnologiques du C2N. A titre d'exemple des résonateurs avec des facteurs de qualité de 300000 sont obtenus de façon régulière, ce qui témoigne à la fois de la qualité du process et des faibles pertes de propagation.
L'objectif de la thèse est de réaliser des études quantiques sur ces structures. Dans une première étape il s'agira de se concentrer sur la réalisation de guides d'ondes optiques non linéaires, puis l'utilisation de ces guides pour la génération de photons jumeaux et la manipulation des états quantiques de la lumière pour des applications quantiques.
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The generation and manipulation of quantum states of light is a fundamental issue for quantum information. Among these states, twin-photon states, with their quantum entanglement and quantum superposition, have enabled exciting and groundbreaking demonstrations in the field of quantum information. Many demonstrations of integrated quantum optics have emerged, yet few involve twin-photon sources, and even fewer are able to include, in an integrated manner, the other necessary stages for quantum information processing: modulators, phase shifters, filters, etc. In recent years, a new integrated platform for quantum state generation has emerged. It is based on thin-film lithium niobate on silicon (LNOI). This platform combines the advantages of lithium niobate, which is already used by the quantum community for its very strong nonlinear coefficients and integration potential, with new advantages related to the reduced optical mode sizes (from few microns to few hundred nanometers), which leads to increased efficiency, and a greater integration capacity thanks to its silicon integration. These new advantages complement the ability to functionalize intensity and phase modulation stages, taking benefit of the strong nonlinear electro-optic coefficients of lithium niobate.
Our group at C2N shows a lot of interested to this new platform since few years, with first results in nanofabrication of optical waveguides and resonators, as shown in Figure 1. These structures are obtained by etching lithium niobate using the nanotechnology facilities at C2N. As an example, resonators with quality factors of 300,000 are regularly achieved, which demonstrates both the quality of the process and the low propagation losses.
The goal of the thesis is to conduct quantum studies on these structures.
In the first step, the focus will be on the fabrication of nonlinear optical waveguides, followed by the use of these waveguides for twin-photon generation and the manipulation of quantum states of light for quantum applications.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Contrats ED : Programme blanc GS-Physique*Programme doctoral 'Quantique'

Université Paris-Saclay GS Physique

572 Ondes et Matière

Le postulant ou La postulante doit avoir : - des connaissances en optique non linéaire - des connaissances en optique quantique - des compétences en informatique : programmation pour les calculs théorique, pour le pilotage des équipements de laboratoire et l'acquisition expérimentale et analyse des mesures
The candidate should have : - good skills in quantum nonlinear and quantum optics - good skills in computer programing for numerical calculations, for communication with laboratoiry equipments and for data acquisition and analyse