Dans le contexte des Réseaux Optiques Passifs (PON), les opérateurs recherchent des solutions innovantes pour augmenter le débit agrégé, nombre d'utilisateurs et portée de la transmission. En plus, des solutions émetteurs-récepteurs à bas coût sont nécessaires. La technique de transmission Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) peut améliorer les performances de la communication en termes de débit agrégé et portée comparé à la modulation classique On-Off Keying (OOK) mono-porteuse. Au même temps, la technologie Photonique sur Silicium permet de réduire le coût par unité des émetteurs-récepteurs, en raison de sa capacité de production en masse et intégration électro-optique. L'OFDM optique a déjà démontré son potentiel avec des composants optiques sur étagère. Par contre, son utilisation avec des émetteurs compatibles avec la technologie Photonique sur Silicium est plus difficile. L'objectif de ce travail est d'étudier les performances d'un lien basé sur des composants Photoniques sur Silicium utilisant la technique de modulation OFDM. Pour atteindre cet objectif, une plateforme de simulation dédiée est développée. Le modulateur-démodulateur OFDM est mise en place, ainsi que des modèles d'émetteurs Photoniques sur Silicium développés pendant la thèse. Ces modèles sont validés expérimentalement avec la caractérisation des composants disponibles au laboratoire. En parallèle, un banc expérimental est construit. Les émetteurs Photoniques sur Silicium sont comparés avec des composants à l'état-de-l' art sur étagère dans un lien OFDM optique. Dans les systèmes en modulation d'intensité et détection directe (IM/DD), une technique d'allocation quasi-optimale de bits et puissance avec de l'OFDM optique est proposée pour maximiser l'efficacité spectrale. Deux types d'émetteurs Photoniques sur Silicium sont considérés : des lasers hybrides III/V-sur-Silicium en modulation directe (expérimentation) et des modulateurs externes comme le Mach-Zehnder (MZM) (simulation) et en anneau-résonant (expérimentation et simulation). Les résultats expérimentaux montrent qu'un débit agrégé de 10Gbps peut être attendu jusqu'à 50km de fibre monomode, compatible avec les exigences de futures générations de PONs. La portée de la transmission (>10Gbps) avec le modulateur en anneau est limitée à 20km, en raison des pertes de couplage élevé en entrée/sortie de la puce. Les simulations montrent que la portée peut atteindre 100km si les pertes sont réduites. Une technique de modulation appelée Single-Side Band (SSB)-OFDM est connu pour améliorer le produit bande-passante-portée de la transmission, en comparaison avec des systèmes IM/DD (Dual-Side Band (DSB)). Par contre, l'émetteur SSB exige plusieurs composants électriques et optiques discrets, augmentant sa complexité. La technologie Photonique sur Silicium permet de un haut niveau d'intégration électro-optique. Pour cette raison, une implémentation spécifique d'un modulateur optique IQ sur Silicium permettant une génération efficace d'un signal SSB-OFDM est étudiée. Les résultats de simulation d'un cas d'étude montrent que l'émetteur Silicium permet d'atteindre une pénalité dans le budget optique relativement faible (de l'ordre de 3dB) comparé à un modulateur LiNbO3. Les solutions présentées dans cette thèse répondent aux besoins de future générations de PON en termes de débit avec des bandes-passantes relativement faibles (<6.25GHz). Ceci est un atout pour l'application considérée. Les tensions de modulations pour les liens IM/DD sont proches des celles fournies par l'électronique CMOS (about 2Vpp). Le développement récent de processeurs numériques et de convertisseurs numériques-analogiques à haut débit en CMOS font de l'OFDM une solution très attractive pour les futures générations de PONs, puisque des transmetteurs tout-Silicium peuvent désormais être envisagés. / In the context of Passive Optical Networks (PON), operators are looking for innovative solutions to increase aggregated data-rate, split-ratio and reach. Another requirement is that transceivers should be as low-cost as possible. The optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) technique can improve performance of the transmission in terms of data-rate and reach as compared to classical single-carrier On-Off Keying (OOK) modulation. At the same time, the silicon photonics technology can lower the cost per unit of the transceiver, due to its mass production and E/O integration capabilities. Optical OFDM has already shown its potential using commercially available optical components. However, its use with silicon photonics Directly-Modulated Lasers (DML) and modulators is more challenging. The objective of this work is to study the performance of OFDM -based solutions for future PON, using silicon photonics transmitters. For that purpose, a dedicated simulation platform is developed. The OFDM modem is implemented, as well as models of silicon photonic devices built during this thesis. These models are validated by characterizing physical components available for test. In parallel, an experimental test-bed is developed. The silicon photonics transmitters are benchmarked with commercial-available transmitters for OFDM-based optical systems. For Intensity-Modulated/Directly-Detected (IM/DD) links, the use of optical OFDM with adaptive bit and power loading is proposed to maximize spectral efficiency. Two types of silicon photonics transmitters are considered: directly modulated III/V-on-silicon lasers (experiment) and external optical modulators such as Mach-Zehnder Modulator (MZM) (simulation) and ring-resonator (simulation and experiment). Experimental results show that the hybrid DML can provide more than 10Gbps aggregated data-rate over at least 50km, which is a requirement for future uplink PON (from the subscriber to the central office). For the silicon ring modulator, because of the high coupling loss in and out of the photonic chip, reach was limited to 20km for a data-rate higher than 10Gbps. These are the first experimental demonstrations of OFDM modulation with hybrid III/V-on-silicon lasers and silicon ring-resonator modulator. Besides, simulation results show that reach can be indeed improved up to 100km if the optical signal is amplified or the coupling loss reduced. A modulation technique called Single-Side Band (SSB)-OFDM is known to improve the [bandwidth x reach] product of the link, as compared to IM/DD (Dual-Side Band (DSB)) systems. However, it requires expensive transmitters with several discrete optical components. As silicon photonics technology allows a very high level of integration between different optical components and between electrical and optical devices, a silicon optical IQ modulator enabling ac{SSB}-ac{OFDM} technique is investigated. Simulation results of a study-case reveal that a relatively low optical budget penalty (up to 3dB) of the silicon photonics transmitters as compared to the LiNbO3 modulator is achieved. The solutions presented in this thesis are demonstrated to be compliant with future PON in terms of data-rate, with relatively low bandwidth (<6.25GHz) electronics. This is a great asset for the considered application. The driving voltages required for typical IM/DD systems showed to be closer to what CMOS driving circuitry can provide (about 2Vpp). Recent developments on high-speed digital signal processors and D/A-A/D converters, using CMOS technologies, make optical-OFDM an attractive solution for future PONs as full-Silicon-transmitters could be used.

Thanks to its compatibility with the current CMOS technology and its potential of seamless integration with electronics, silicon photonics has been attracting an ever-increasing interest in recent years from both the academia and industry. By applying silicon photonic technology in microwave photonics, on-chip integration of microwave photonic systems could be implemented with improved performance including a much smaller size, better stability and lower power consumption. This thesis focuses on developing silicon-based photonic integrated circuits for microwave photonic applications. Two types of silicon-based on-chip devices, waveguide Bragg gratings and optical micro-cavity resonators, are designed, developed, and characterized, and the use of the developed devices in microwave photonic applications is studied. After an introduction to silicon photonics and microwave photonics in Chapter 1 and an overview of microwave photonic signal generation and processing in Chpater2, in Chapter 3 a silicon-based on-chip phase-shifted waveguide Bragg grating (PS-WBG) is designed, fabricated and characterized, and its use for the implementation of a photonic temporal differentiator is experimentally demonstrated. To have a waveguide grating that is wavelength tunable, in Chapter 4 a tunable waveguide grating is proposed by incorporating a PN junction across the waveguide grating, to use the free-carrier plasma dispersion effect in silicon to achieve wavelength tuning. The use of a pair of wavelength-tunable waveguide gratings to form a wavelength-tunable Fabry-Perot resonator for microwave photonic signal processing is studied. Thanks to its electrical tunability, a high-speed electro-optic modulator, a tunable fractional-order photonic temporal differentiator and a tunable optical delay line are experimentally demonstrated. To increase the bandwidth of a waveguide grating, in Chapter 5 a linearly chirped waveguide Bragg grating (LC-WBG) is designed, fabricated and evaluated. By incorporating two LC-WBGs in two arms of a Mach-Zehnder interferometer (MZI) structure, an on-chip optical spectral shaper is produced, which is used in a photonic microwave waveform generation system based on spectral-shaping and wavelength-to-time (SS-WTT) mapping for linearly chirped microwave waveform (LCMW) generation. To enable the LC-WBG to be electrically tuned, in Chapter 6 a lateral PN junction is introduced in the grating and thus an electrically tunable LC-WBG is realized. By incorporating two tunable LC-WBGs in a Michelson interferometer structure, an electrically tunable optical spectral shaper is made. By applying the fabricated spectral shaper in an SS-WTT mapping system, a continuously tunable LCMW is experimentally generated. Compared with a waveguide Bragg grating device, an on-chip optical micro-cavity resonator usually has a much smaller dimension, which is of help to increase the integration density and reduce the power consumption. Different on-chip optical micro-cavity resonators are studied in this thesis. In Chapter 7, an on-chip symmetric MZI incorporating multiple cascaded microring resonators is proposed. By controlling the radii of the rings, the MZI could be designed to have a spectral response with a linearly-varying free spectral range (FSR), which could be used in photonic generation of an LCMW, and to have a multi-channel spectral response with identical channel spacing, which could be used in the implementation of an independently tunable multi-channel fractional-order temporal differentiator. To further reduce the footprint of an optical micro-cavity resonator, in Chapter 8 an ultra-compact microdisk resonator (MDR) with a single-mode operation and an ultra-high Q-factor is proposed, fabricated and evaluated, and its use for the implementation of a microwave photonic filter and an optical delay line is experimentally demonstrated. To enable the MDR to be electrically tunable, in Chapter 9 an electrically tunable MDR is realized by incorporating a lateral PN junction in the disk. The use of the fabricated MDR in microwave photonic applications such as a high-speed electro-optic modulator, a tunable photonic temporal differentiator and a tunable optical delay line is experimentally demonstrated.

The goal of the research reported in this thesis is to establish the feasibility of a novel optical architecture for an optical route & select circuit switch suitable for implementation as a photonic integrated circuit. The proposed architecture combines Optical Phased Array (OPA) switch elements implemented as multimode interference coupler based Generalised Mach-Zehnder Interferometers (GMZI) with a planar Lüneburg lens-based optical transpose interconnection network implemented using graded metamaterial waveguide slabs. The proposed switch is transparent to signal format and, in principle, can have zero excess insertion loss and scale to large port counts. These switches will enable the low-energy consumption high capacity communications network infrastructure needed to provide environmentally-friendly broadband access to all. The thesis first explains the importance of switch structures in optical communications networks and the difficulties of scaling to a large number of switch ports. The thesis then introduces the Talbot effect, i.e. the self-imaging of periodic field distributions in free space. It elaborates on a new approach to finding the phase relations between pairs of Talbot image planes at carefully selected positions. The free space Talbot effect is mapped to the waveguide Talbot effect which is fundamental to the operation of multimode interference couplers (MMI). Knowledge of the phase relation between the MMI ports is necessary to achieve correct operation of the GMZI OPA switch elements. An outline of the design procedures is given that can be applied to optimise the performance of MMI couplers and, as a consequence, the GMZI OPA switch elements. The Lüneburg Optical Transpose Interconnection System (LOTIS) is introduced as a potential solution to the problem of excessive insertion loss and cross-talk caused by the large number of crossovers in a switch fabric. Finally, the thesis explains how a Lüneburg lens may be implemented in a graded ‘metamaterial’, i.e. a composite material consisting of ‘atoms’ arranged on a regular lattice suspended in a host by nano-structuring of silicon waveguide slabs using a single etch-step. Furthermore, the propagation of light in graded almost-periodic structures is discussed. Detailed consideration is given to the calibration of the local homogenised effective index; in terms of the local parameters of the metamaterial microstructure in the plane and the corrections necessary to accommodate slab waveguide confinement in the normal to the plane. The concept and designs were verified by FDTD simulation. A 4×4 LOTIS structure showed correct routing of light with a low insertion loss of -0.25 dB and crosstalk of -24.12 dB. An -0.45 dB excess loss for 2D analysis and an -0.83 dB insertion excess loss for 3D analysis of two side by side metamaterial Lüneburg lenses with diameter of 15 μm was measured, which suggests that the metamaterial implementation produces minimal additional impairments to the switch.

Aujourd’hui, les puces et capteurs provenant de la microélectronique ne sont plus simplement des circuits électroniques mais peuvent désormais véhiculer des signaux électriques et optiques. En témoignent les puces dites photoniques, utilisées pour la transmission de données à très haut débit. Cependant, cette technologie exploite une part très restreinte du spectre de la lumière, située dans le proche infrarouge. L’exploitation de l’ensemble du moyen infrarouge (λ=2-20 µm) permettrait la mise au point de nouveaux capteurs intégrés se servant des empreintes spectrales spécifiques des molécules dans cette partie du spectre électromagnétique.L’objet de cette thèse est de développer des circuits optiques intégrés sur silicium capables de véhiculer ces longueurs d’onde et qui soient compatibles avec des procédés de fabrication en salle blanche 200 mm. La technologie développée dans ces travaux est basée sur des guides carrés à saut d’indice en Si₀,₆Ge₀,₄ enterrés dans le Si, afin d’obtenir des circuits compactes et à faibles pertes. La conception des fonctions optiques nécessaires à la construction des circuits est tout d’abord présentée. Ces fonctions sont ensuite assemblées pour former un circuit optique qui sera fabriqué puis caractérisé afin de valider les performances de la technologie développée. Deux circuits ont ainsi été fabriqués : un premier a été réalisé avec un procédé standard tandis que le deuxième a été fabriqué avec un procédé de type damascène. La première réalisation offre l’avantage d’utiliser des procédés connus, tandis que la deuxième permet de fabriquer des guides pour différentes longueurs d’onde sur une même puce. Ces deux circuits ont été caractérisés afin de mener une étude comparative entre les deux procédés de fabrication. Enfin, dans un soucis de monter en maturité de la plateforme, une étude approfondie des réseaux de couplage sur des guides Si₀,₆Ge₀,₄ a été conduite. Celle-ci a donnée lieu à la fabrication et à la caractérisation de deux réseaux : un constitué d’inclusions d’air et un deuxième localement suspendu. / Nowadays, microelectronic chips and sensors are not simply electronic circuits anymore. They are able to convey both electric and optical signal. As shown by the so-called photonic chips used to transmit data at high speed rate. However, this technology only exploits a very small part of the light spectrum, namely in the near infrared. Exploitation of the whole mid-infrared domain (λ=2-20 µm) would allow to develop new integrated sensors using molecules specific spectral fingerprints in this part of the electromagnetic spectrum.This thesis deals with the development of integrated optical circuits on silicon capable of handling these wavelengths and compatible with 200 mm clean room fabrication processes. The technology developed in this work, is based on Si₀,₆Ge₀,₄ channel square waveguides in order to obtain compact and low loss optical circuits. First of all, the design of optical functions required to build circuits is presented. Then, these functions are assembled into circuits which are manufactured and characterized in order to assess performances of the developed technology. Two circuits have been produced: one with standard processes and one with damascene processes. The first one has the advantage of using known processes, whereas the second one allows to make waveguides for different wavelengths on a single chip. These two circuits have been characterized in order to conduct a comparative study between the two fabrication processes. Finally, in order to mature the technology, an in-depth study on grating coupler for Si₀,₆Ge₀,₄ waveguides have been conducted. It has led to the manufacturing and characterization of two grating couplers : one made of air inclusions and another locally suspended.

Le présent travail a été consacré à l'étude des non linéarités de troisième ordre dans des structures intégrées à base de silicium exploitant des configurations de cavités à miroir de Bragg (nanobeam) et guides à cristaux photoniques à modes lents. Tout d'abord, nous avons développé une méthode non destructive à faisceau unique pour caractériser les effets de troisième ordre instantanés, c’est-à-dire la quantification de la susceptibilité complexe effective dans les guides d'ondes. La méthode a été dénommée "Top-hat D-Scan bi-directionnelle" et constitue un analogue temporel de la méthode Top-hat Z-Scan développée précédemment. Nous avons établi un modèle analytique et numérique et nous rendons compte de la première mesure d'un guide d'ondes en silicium utilisant une impulsion mis en forme dans un étireur et complétée par une procédure d’injection bi-directionnelle. L’ensemble instrumental développé constitue une expérience de métrologie des effets non-linéaires dans des guides d’ondes silicium au meilleur niveau de l’état de l’art. La méthode proposée a été validée dans des guides SiGe, chalcogénures et nitrure du silicium. Forts de cet outil métrologique, nos travaux d’exploration des interactions non linéaires lumière-matière ont été consacrés à deux grandes familles de nanostructures photoniques : des microcavités optiques et guides d'ondes en régime de lumière lente. Dans la première des deux situations, les variations d'indice provoquées par les non linéarités sont responsables d’un décalage des fréquences de résonance excluant sa coïncidence avec la fréquence du signal d'excitation et diminuant ainsi l'efficacité de l'injection optique de manière drastique. Afin de maintenir le bénéfice de localisation de la lumière tout au long de l'excitation pulsée, nous avons expérimentalement et numériquement étudié le comportement d'une cavité en silicium conçue, fabriquée, et enfin excitée par une impulsion présentant une puissance crête élevée. En contrôlant temporellement la phase des composantes spectrales injectée, la relation de phase spectrale compensant la dérive de fréquence non linéaire de la résonance de la cavité, nous avons effectué la première démonstration expérimentale de l'excitation cohérente d'une micro-cavité silicium non linéaire. Enfin, nous avons consacré des efforts importants pour concevoir, fabriquer et caractériser des guides d'ondes à cristaux photoniques (SPhCW) en silicium à fente, matrice d’une intégration hybride de matériaux optiques non-linéaires sur silicium. Les résultats rapportés fournissent la première preuve expérimentale d’un contrôle précis des propriétés de dispersion de guides à cristaux photoniques à fente propres à être remplis par des matériaux souples comme des polymères ou des couches minces dopées. La dispersion de groupe des modes lents guidés est contrôlable en signe et en amplitude et correspond à des bandes passantes optiques exploitables (~10nm). Ces résultats démontrent l’intérêt direct pour le traitement des données tout-optique sur puce des guides à modes lents à cœur creux utilisant des effets optiques non linéaires d’ordre trois pour le traitement tout-optique des données sur puce. / All-optical signal processing implemented in silicon photonics is considered as a promising route to solve several bottlenecks for the realization of future dense and mixed integrated electronic and photonic chips including ultrahigh data bit rate issues and power consumption constraints. In the context of the planar silicon photonics technology, a dramatic reduction of the needed power to reach optical nonlinear effects is obtained due to the sub-micrometer size of silicon wires (~450nmX260nm) in the telecommunication wavelength window, although silicon does not exhibit second-order response (χ^((2))) due to the centrosymmetry of its lattice. Moreover, third-order effects (χ^((3))) are partially spoiled in this material due to the strength of the two-photon-absorption (TPA) effect, which in turn generates free-carriers inducing additional absorption and refractive index changes. One way to overcome this limitation is the hybrid integration on silicon of low index soft materials with luminescence or nonlinear optical properties lacking to silicon. In this context, the present work is devoted to the study of third order nonlinearities in silicon-based integrated structures exploiting enhanced electromagnetic field effects (e.g. in Si resonators and slow light waveguides). First, we have developed a dedicated single beam non-destructive method to characterize the instantaneous third order effects though the quantification of complex effective waveguide susceptibility. The method is named “Bi-directional top-hat D-Scan” and consists on a temporal analogous of the top-hat Z-Scan. We have established an analytical and numerical model and we report the first measurement of a silicon waveguide by using a pulse shaping set-up and a bi-directional procedure. The originality of our methods stands in the capability to measure in two steps : the 3rd order nonlinear Figure-Of-Merit (FOM) independently of the injection losses, and the effective nonlinear waveguide parameters (Kerr and TPA) taking into account measured coupling losses at each facet. Furthermore, we apply the method to other integrated novel materials including Ge-rich GeSi alloys, carbon nanotube doped thin films, and chalcogenide waveguides. Additionally, two further enhancements of light-matter nonlinear interactions have been explored within this work: optical microcavities and slow light waveguides. In the first picture, index variations caused by non-linearities shift the resonance frequencies precluding the coincidence with the excitation signal frequency, thereby decreasing the injection efficiency. In order to maintain the benefit of light localization throughout the pulsed excitation, we have experimentally and numerically studied the behavior of a designed and fabricated silicon nanobeam cavity excited by a high power tailored chirped pulse whose spectral phase relation compensates for the nonlinear frequency drift of the cavity resonance. We report a numerical study of this first experimental demonstration of the coherent excitation of a nonlinear micro-cavity, leading to an enhanced intra-cavity nonlinear interaction. Finally, we have dedicated efforts to engineer, fabricate and characterize silicon slot photonic crystal waveguides (SPhCW) in order to compensate their strong dispersion present in the slow light regime while taking benefit from large group index light propagation. We showed that their frequency dispersion properties can be engineered from anomalous to normal dispersion, along with zero group velocity dispersion (ZGVD) crossing points exhibiting a Normalized Delay Bandwidth Product (NDBP) as high as 0.156. The reported results provide the first experimental evidence for an accurate control of the dispersion properties of fillable periodical slotted structures in silicon photonics, which is of direct interest for on-chip all-optical data treatment using nonlinear optical effects in hybrid-on-silicon technologies.

L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier des lasers semi-conducteur issus de la plateforme d’intégration III-V sur Si et présentant un faible bruit d’intensité relatif (RIN) pour le transport de signaux RADAR par voie optique. Nous cherchons à obtenir des lasers de comportement dynamique dit de «Classe A», i.e. avec une réponse dynamique sans oscillations de relaxation. Dans ce cas, il a été précédemment montré qu’un tel comportement dynamique présente un RIN limité au bruit de grenaille sur une large bande de fréquences et est obtenu quand la durée de vie des photons dans la cavité est grande devant la durée de vie des porteurs dans la zone active. La plateforme photonique sur silicium est alors intéressante car elle permet de réaliser des cavités longues grâce aux guides optiques offrant de faibles pertes de propagation, i.e. de l’ordre du dB/cm. En première approche, nous avons étudié des lasers dont la cavité de longueur centimétrique est composée d’une partie active fournissant le gain optique et d’une partie passive composée de guide en silicium à faibles pertes de propagation. Nous avons proposé différentes optimisations des pertes optiques intra-cavité ainsi que différentes solutions de filtrage spectral à grande finesse nécessaire à une oscillation laser monomode. La seconde approcheétudiée repose sur le filtrage du RIN d’un laser hybride de longueur millimétrique en exploitant les effets de saturation du gain optique dans un amplificateur optique à SC (SOA). Nous avons présenté un modèle décrivant les différents mécanismes altérant le bruit du laser amplifié par un SOA. Une étudeexpérimentale a permis de mettre en évidence la réduction du RIN d’un laser hybride III-V sur silicium, allant jusqu’à 15 dB pour des fréquences allant jusqu’à quelques GHz. La dernière approche explorée dans cette thèse repose sur la conception de lasers DFB hybride III-V sur silicium à très haut facteur de qualité. L’utilisation d’un réseau de Bragg à pas variable permet de réduire les pertes radiatives, usuellement importantes dans les lasers DFB, et d’obtenir une cavité de facteur de qualité de l’ordre de quelques millions. Un premier composant réalisé présente un facteur de qualité de 65 000. / The objective of the present thesis is to investigate new laser architectures with low Relative Intensity Noise (RIN) using the Silicon Photonics integration platform. We intend to reach “class-A” dynamics, in which relaxation oscillations are eliminated. In this conditions, lasers with class-A dynamics exhibit shot-noise limited RIN over a wide frequency bandwidth, typically from 100 MHz to 20 GHz. Such behaviour can be obtained with high-Q laser cavities, i.e with long cavities or with ultra-low losses cavities. The silicon photonics platform is a good candidate for the desired dynamical behaviour as it makes possible the implementation of long cavities (ten’s of cm) based on low losses silicon waveguides (dB/cm). Three different approaches have been considered in the present work. In the first approach, we have developed centimetre long lasers, consisting of an active section providing the optical gain coupled to a passive section made with low losses silicon waveguides. We proposed different approaches to optimize the intra-cavity optical losses, and different architectures of high finesse optical filters allowing simultaneously single-mode operation and high side mode suppression. The second approach consists on filtering the laser RIN by taking advantage of the coherent population oscillations effects in a SC Optical Amplifier (SOA). We proposed a model for describing the different mechanisms altering the RIN of the amplified laser. We demonstrated 15 dB RIN reduction for frequencies up to a few GHz, using a hybrid III-V on Si laser and a “classical” SOA. The last approach explored in the present thesis is based on the use of hybrid III-V on silicon DFB lasers with a high quality factor. Using Silicon Bragg grating with a variable pitch can reduce the radiative losses, usually important in DFB lasers. In this case, we can obtain optical cavities with few millions quality factor, leading to few ns photon lifetime. We realize a first design of Si Bragg grating with a Q factor of 65 000.

Après une première révolution quantique marquée par l'avènement de la physique quantique et de ses lois contre-intuitives, le monde du XXIe siècle est en proie à une seconde révolution articulée autour des technologies quantiques. Ces dernières promettent un bouleversement important dans les domaines de la communication, du calcul, de la simulation et de la métrologie. Dans cette thèse, nous abordons deux des quatre sous-domaines cités précédemment, à savoir ceux de la communication et de la métrologie quantique. Le mot d'ordre rassemblant ces travaux est l'intrication. En effet, nous montrons que, grâce à cette propriété fondamentale, les performances des systèmes de communication et de métrologie standards peuvent être surpassés. Ainsi, nous présentons comment générer ces états intriqués responsables de l'avantage quantique, et ce sur différentes plateformes technologiques. La première plateforme exploitée est le silicium. Récente pour la photonique, elle combine des avantages de maturité permettant l'intégration de nombreuses structures micrométriques sur une même puce, avec des propriétés non-linéaires, basés sur des processus d'ordre 3, efficaces. Le silicium se destine alors à de nombreuses applications comme nous le montrons en générant des paires de photons intriqués démultiplexés spectralement et directement compatibles avec les réseaux de télécommunications standards. La seconde plateforme que nous présentons est le niobate de lithium. Cette dernière, très exploitée dans bon nombres de travaux en photonique quantique, possède une efficacité de génération de paires de photons intriqués très importante, notamment grâce à l'exploitation de processus non-linéaires d'ordre 2. Nous détaillons une expérience de génération d'états hyper-intriqués, qui, à l'instar du silicium, est orientée vers le domaine de la communication quantique. Enfin, nous exploitons aussi ces paires de photons intriqués combinés à des méthodes d'interférométrie quantique afin de réaliser une expérience de métrologie quantique. Le but de cette dernière étant de mesurer avec une précision inédite la différence d'indices de réfraction de fibres bi-coeurs. / After a first quantum revolution marked by the advent of quantum physics and its counter-intuitive laws, the XXIst century is in the throes of a second quantum revolution based on quantum technologies. These promises a major upheaval in the areas of communication, calculation, simulation and metrology. In this thesis, we address two of the four subdomains mentioned above, namely those of communication and quantum metrology. The main word bringing together these works is entanglement. Indeed, we show that, thanks to this fundamental property, the performances of standard communication and metrology systems can be surpassed. Thus, we present how to generate these entangled states responsible for the quantum advantage, and this on two technological platforms. The first platform exploited is silicon. The latter, recent for photonics, combines the advantages of maturity allowing the integration of many micrometric structures on the same chip, with efficient non-linear properties, based on third order process. Silicon is then destined for many applications as we show by generating pairs of spectrally demultiplexed entangled photons directly compatible with standard telecommunication networks. The second platform we present is lithium niobate. The latter, widely used in many quantum photonics demonstrations, has a very important efficiency of entangled photon pairs generation, notably thanks to the exploitation of second order non-linear process. We detail an experiment of hyper-entangled states generation, which, like silicon, is oriented towards the domain of quantum communication. Finally, we also exploit these pairs of entangled photons combined with quantum interferometry methods to realize a quantum metrology experiment. The purpose is to measure with unprecedented precision the refractive indices difference of dual-core fibers.

Quantenzentren in Kristallgittern spielen als sogenannte Festkörper-Qubits eine entscheidende Rolle für die Entwicklung der zweiten Quantenrevolution. Das G-Zentrum in Silizium kann hierfür einen wesentlichen Beitrag leisten, da es sich CMOS-kompatibel und damit skalierbar herstellen lässt, es eine scharfe Nullphononenlinie im Bereich der optischen Telekommunikation besitzt und ODMR-aktiv ist. Dies macht es zu einem geeigneten Kandidaten für die Entwicklung photonischer Mikrochips, auf denen Quantentechnologien und Lichtwellenleitung durch eine Spin-Photon-Schnittstelle miteinander verknüpft werden, um somit alle Kriterien zum Aufbau eines Quantennetzwerkes zu erfüllen. In der vorliegenden Arbeit werden G-Zentren durch niederenergetische und räumlich-selektive Ionen-Implantation hergestellt und mittels Photolumineszenz-Spektroskopie und Magnetresonanzmessungen auf ihre optischen und quantenphysikalischen Eigenschaften untersucht. Anhand umfangreicher temperaturabhängiger Ensemble-Messungen in reinem Silizium werden offene Fragen zum Sättigungsverhalten, der Rekombinationsdynamik und der Verschiebung bzw. Verbreiterung der Nullphononenlinie geklärt und die ersten Zerfallszeit-Messungen des angeregten Zustandes des Defektes vorgestellt. Durch die Verwendung von SOI-Proben in Kombination mit niederenergetischer Ionen-Implantation wird weiterhin die erste, jemals in Silizium isolierte Einzelphotonenquelle hergestellt und durch zahlreiche Polarisations- und Korrelationsmessungen als solche identifiziert. Durch die Einzelphotonenmessung erfolgt zusätzlich eine erste Abschätzung der Quanteneffizienz der G-Zentren und die Messung der Lebensdauer des isolierten angeregten Zustandes. Um den Quantenzustand der G-Zentren mittels Mikrowellenfeld manipulieren und sowohl optische als auch elektronisch auslesen zu können, wird ein experimenteller Aufbau beschrieben, mit dem die magnetische Resonanz der G-Zentren in einer SOI-Probe temperaturabhängig bis in den kryogenen Bereich detektiert werden kann. Nach den ersten manuellen Testmessungen wird der Versuchsaufbau durch neue Steuergeräte und eine Automatisierung weiter optimiert, um damit umfangreiche Messungen bei T = 40K und Raumtemperatur durchzuführen. Dabei wird eine mikrowellenabhängige Manipulation der Photolumineszenz der G-Zentren beobachtet, welche mit dem detektierten Photostrom korreliert ist. Die Manipulation der Photolumineszenz wird hauptsächlich auf eine Veränderung der Ladungsträgerdichte aufgrund anderer spinabhängiger Rekombinationszentren zurückgeführt, welche sich an den Grenzflächen des SOI-Schichtstapels bilden. Ideen, um den Einfluss der G-Zentren durch Unterdrückung der anderen Rekombinationszentren zu erhöhen, werden diskutiert.:Bibliografische Beschreibung Referat Abstract Zusammenfassung der Dissertation Contents List of Figures List of Tables Abbreviations 1 Introduction and motivation 1.1 Demand for silicon photonics and quantum technologies 1.2 Description and aim of the project 1.3 Outline 2 Solid-state and optical properties of silicon 2.1 Crystal properties 2.1.1 Structure 2.1.2 Lattice vibrations 2.1.3 Debye-Waller factor 2.1.4 Energy bands 2.2 Defects and doping in silicon 2.2.1 Intrinsic and extrinsic point defects 2.2.2 Line, area and volume defects 2.2.3 Doping 2.3 Luminescence from silicon 2.3.1 Optical properties of bulk silicon 2.3.2 Non-linear effects in silicon 2.3.3 Dislocation loops 2.3.4 Quantum confinement effects 2.3.5 Rare-Earth (Erbium) doping 2.3.6 Light emitting defects in silicon 2.4 G centers in silicon 2.4.1 Structural properties and creation of G centers 2.4.2 Optical properties and applications of G centers 3 Solid-state quantum technologies 3.1 Ion implantation for defect engineering 3.1.1 High-energy accelerator “Lipsion” 3.1.2 100 kV Microbeam 3.2 Quantum optics 3.2.1 Properties of single photons 3.2.2 Photoluminescence and single-photon measurements 3.2.3 Applications of single-photon sources - quantum key distribution 3.3 Quantum computing 3.3.1 Basic principle 3.3.2 Photonic qubits 3.3.3 Solid-state qubits 4 Optical properties of an ensemble of G centers in silicon 4.1 Experiment description and basic properties 4.1.1 Sample fabrication 4.1.2 Optical spectroscopy 4.1.3 PL response of different defect densities 4.1.4 Photoluminescence excitation measurement 4.1.5 Saturation behavior 4.2 Temperature-dependent photoluminescence spectroscopy 4.2.1 Thermal redshift 4.2.2 ZPL broadening 4.2.3 Temperature-dependent PL intensity 4.2.4 Temperature-dependent lifetime and decay rate 4.3 Recombination dynamics 4.3.1 Spectrally selective recombination dynamics 4.3.2 Lifetime and defect density 4.3.3 Phonon-assisted recombination model 5 G centers as single-photon sources in silicon 5.1 Experimental description 5.1.1 Sample fabrication 5.1.2 Optical spectroscopy 5.2 Evidence of a single-photon source 5.2.1 Autocorrelation study 5.2.2 Photodynamics 5.2.3 PL polarization 5.3 Properties of single photons from G centers 5.3.1 ZPL shift 5.3.2 Saturation and stability 5.3.3 Lifetime of an isolated G center 5.3.4 Estimation of the quantum efficiency 6 Optical and photoelectric readout of G centers in silicon 6.1 Setup 6.1.1 Sample preparation 6.1.2 Circuit board and cryostat 6.1.3 Measuring and control devices 6.1.4 PL spectroscopy 6.2 Manual ODMR and PDMR at cryogenic temperature 6.3 Automated PDMR measurements 6.3.1 Spectrum analysis 6.3.2 Etiology 6.3.3 Voltage dependence 6.3.4 Temperature dependence 6.3.5 Laser dependence 6.3.6 Magnetic field dependence 6.4 Automated PDMR and ODMR at cryogenic temperature 6.5 Discussion 6.5.1 Microwave dielectric heating in silicon 6.5.2 Spin-dependent recombination centers in Si and Si/SiO2 interfaces 6.6 Conclusion 7 Summary and outlook Bibliography Danksagung Wissenschaftlicher Werdegang Selbstständigkeitserklärung Erklärung für die Bibliothek / Quantum centers in crystal lattices can form so-called solid-state qubits that play a crucial role for the progress of the second quantum revolution. The G center in silicon can make a significant contribution to this, since it can be fabricated in a CMOS compatible and thus scalable way, it has a sharp zero-phonon line in the optical telecommunication range, and it is ODMR active. This makes it a suitable candidate for the development of photonic microchips, where quantum technologies and optical waveguides are linked by a spin-photon interface, thus fulfilling all the criteria to build a quantum network. In the present work, G centers are fabricated by low-energy and spatially-selective ion implantation and their optical and quantum physical properties are investigated by photoluminescence spectroscopy and magnetic resonance measurements. Using extensive temperature-dependent ensemble measurements in pure silicon, open questions on saturation behavior, recombination dynamics, and zero-phonon line shift as well as broadening are clarified, and the first decay time measurements of the excited state of this defect are presented. By using SOI samples in combination with low-energy ion implantation, the first single-photon source ever isolated in silicon is further fabricated and identified as such by extensive polarization and correlation measurements. The single-photon measurement additionally provides a first estimation of the quantum efficiency of the G centers and the measurement of the lifetime of the isolated excited state. In order to manipulate the quantum state of the G centers by means of a microwave field and to enable an optical as well as an electronical readout, an experimental setup is designed and assembled that allows the temperature-dependent detection of magnetic resonances of G centers in a SOI sample down to the cryogenic range. After the first manual test measurements, the experimental setup is further optimized by new control devices and process automation to allow extensive measurements at T = 40K and room temperature. A microwave-dependent manipulation of the photoluminescence of the G centers is observed, which is correlated with the detected photocurrent. The manipulation of the photoluminescence is mainly attributed to a change in the charge carrier density due to other spin-dependent recombination centers that form at the interfaces of the SOI layer stack. Ideas to increase the influence of the G centers by suppressing the other recombination centers are discussed.:Bibliografische Beschreibung Referat Abstract Zusammenfassung der Dissertation Contents List of Figures List of Tables Abbreviations 1 Introduction and motivation 1.1 Demand for silicon photonics and quantum technologies 1.2 Description and aim of the project 1.3 Outline 2 Solid-state and optical properties of silicon 2.1 Crystal properties 2.1.1 Structure 2.1.2 Lattice vibrations 2.1.3 Debye-Waller factor 2.1.4 Energy bands 2.2 Defects and doping in silicon 2.2.1 Intrinsic and extrinsic point defects 2.2.2 Line, area and volume defects 2.2.3 Doping 2.3 Luminescence from silicon 2.3.1 Optical properties of bulk silicon 2.3.2 Non-linear effects in silicon 2.3.3 Dislocation loops 2.3.4 Quantum confinement effects 2.3.5 Rare-Earth (Erbium) doping 2.3.6 Light emitting defects in silicon 2.4 G centers in silicon 2.4.1 Structural properties and creation of G centers 2.4.2 Optical properties and applications of G centers 3 Solid-state quantum technologies 3.1 Ion implantation for defect engineering 3.1.1 High-energy accelerator “Lipsion” 3.1.2 100 kV Microbeam 3.2 Quantum optics 3.2.1 Properties of single photons 3.2.2 Photoluminescence and single-photon measurements 3.2.3 Applications of single-photon sources - quantum key distribution 3.3 Quantum computing 3.3.1 Basic principle 3.3.2 Photonic qubits 3.3.3 Solid-state qubits 4 Optical properties of an ensemble of G centers in silicon 4.1 Experiment description and basic properties 4.1.1 Sample fabrication 4.1.2 Optical spectroscopy 4.1.3 PL response of different defect densities 4.1.4 Photoluminescence excitation measurement 4.1.5 Saturation behavior 4.2 Temperature-dependent photoluminescence spectroscopy 4.2.1 Thermal redshift 4.2.2 ZPL broadening 4.2.3 Temperature-dependent PL intensity 4.2.4 Temperature-dependent lifetime and decay rate 4.3 Recombination dynamics 4.3.1 Spectrally selective recombination dynamics 4.3.2 Lifetime and defect density 4.3.3 Phonon-assisted recombination model 5 G centers as single-photon sources in silicon 5.1 Experimental description 5.1.1 Sample fabrication 5.1.2 Optical spectroscopy 5.2 Evidence of a single-photon source 5.2.1 Autocorrelation study 5.2.2 Photodynamics 5.2.3 PL polarization 5.3 Properties of single photons from G centers 5.3.1 ZPL shift 5.3.2 Saturation and stability 5.3.3 Lifetime of an isolated G center 5.3.4 Estimation of the quantum efficiency 6 Optical and photoelectric readout of G centers in silicon 6.1 Setup 6.1.1 Sample preparation 6.1.2 Circuit board and cryostat 6.1.3 Measuring and control devices 6.1.4 PL spectroscopy 6.2 Manual ODMR and PDMR at cryogenic temperature 6.3 Automated PDMR measurements 6.3.1 Spectrum analysis 6.3.2 Etiology 6.3.3 Voltage dependence 6.3.4 Temperature dependence 6.3.5 Laser dependence 6.3.6 Magnetic field dependence 6.4 Automated PDMR and ODMR at cryogenic temperature 6.5 Discussion 6.5.1 Microwave dielectric heating in silicon 6.5.2 Spin-dependent recombination centers in Si and Si/SiO2 interfaces 6.6 Conclusion 7 Summary and outlook Bibliography Danksagung Wissenschaftlicher Werdegang Selbstständigkeitserklärung Erklärung für die Bibliothek

京都大学 / 0048 / 新制・論文博士 / 博士(工学) / 乙第13015号 / 論工博第4140号 / 新制||工||1650(附属図書館) / 32943 / (主査)教授 斧 髙一, 教授 木村 健二, 教授 立花 明知 / 学位規則第4条第2項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

There has been a huge surge in data traffic all over the world due to the rise of streamingmedia services and connected devices. The current demand in data traffic has alreadypushed the optical fiber in the internet architecture to the network edges and the trend isto push it as close as possible, to the CPU. Silicon photonics addresses this challenge byenabling miniaturized optical devices that use light to move huge amounts of data at veryhigh speeds with extremely low power. To further improve the data transmission capacity,one can make use of different polarizations of light. However, to take advantage ofdifferent polarizations, devices with on-chip polarization rotation capability are required.This is achieved by a tunable polarization rotator. Moreover, full control of polarizationrotation can also be utilized to realize a new class of components in integrated photonicsincluding polarization mode modulators, multiplexers, filters, as well as switches foradvanced optical signal processing, coherent communications, and sensing.This thesis introduces a novel tunable polarization rotator that uses microelectromechanicalsystems (MEMS) as its actuation principle. When voltage is applied to a MEMStunable silicon cantilever, a mechanical movement occurs, which in turn affects theoptical mode shape travelling through a waveguide, as a result of which the polarizationis rotated. In this work, a MEMS tunable polarization rotator is designed, fabricated,and characterized with a polarization extinction ratio of 10 dB, which works in 1530nm -1570nm wavelength spectrum. In addition to the MEMS tunable polarization rotator,in this thesis, a free standing polarization beam splitter of length 1.4 μm, the shortestreported to-date to our knowledge, was designed, fabricated, and characterized. Thetunable polarization rotator and beam splitter developed in this thesis have the potentialto increase the bandwidth and flexibility of current optical communication networks, andfind further applications in polarization diversity schemes for sensing. / Mängden datatrafik i världen har växt explosionsartat de senaste åren på grund av detökade antalet uppkopplade enheter samt det snabbt växande tjänsterna för strömmad media. Det stora databehovet har redan gjort det nödvändigt att använda högkapacitiva optiska länkar hela vägen till nätverkets kanter och trenden är att optisk dataöverföring används närmare och närmare själva CPU:erna i datorerna som utgör källa och slutpunkt för all data på Internet. Kiselfotonik möter denna utmaning genom att möjliggöra miniatyriserade optiska system som använder ljus för att snabbt överföra stora mängder data med liten effektförbrukning. För att öka kapaciteten ännu mer kan man använda sig av ljusets polarisation. För att göra detta måste man tillhandahålla system för att vrida polarisation på chipp-nivå vilket man kan åstadkomma med en avstämbar polarisationsvridare. Utöver en ökad kapacitet kan den nya kontrollen över polarisation även användas för att skapa nya typer av integrerade optiska komponenter som polarisationsbaserade modulatorer, multiplexers, filter, såväl som switchar för optisk signalbehandling, koherent kommunikation och avkänning.Denna avhandling presenterar en ny avstämbar polarisationsvridare som använder en mikroelektromekanisk (MEMS) aktuator. När en spänning är applicerad på en MEMS balk skapas en mekanisk rörelse som i sin tur påverkar den optiska mod-bilden som propagerar i en integrerad optisk vågledare vilket resulterar i att polarisationen vrids. Denna avhandling innehåller design, tillverkning och karakterisering av en avstämbar polarisationsvridare med en polariseringsgrad på 10 dB i våglängdsområdet 1530-1570 nm. Utöver det presenteras design, tillverkning och karakterisering av frihängande polarisationsfördelare med en längd på endast 1.4 µm, den kortaste hittills rapporterad. Dessa komponenter har potentialen att öka bandbredden och flexibilite befintligaoptiska kommunikationsnät och hitta nya tillämpningar i sensorsystem.