Alantys Technology de la R&D en mettant simultanément en œuvre nos compétences, des partenariats et des financements.
Notre projet se construit notamment autour de deux axes importants : l’un consiste, d’une part , à nouer un partenariat fort avec l’ENS et d’autre part à valoriser un brevet dans le cadre d’un partenariat public privé.

Le chercheur, Jérôme TIGNON, Professeur UPMC, du laboratoire Pierre Aigrain de l’Ecole Normale Supérieure a établi un plan de développement de notre R&D commune au sein de notre partenariat comme suit :

Nous rappelons en préliminaire que notre R&D vise à établir des prototypes microscopiques de boites à cryptographie quantique. S’il est facile de réaliser de tels dispositifs dans une boite d’un mètre cube, il existe des verrous technologiques très importants lorsqu’on souhaite miniaturiser cette technologie pour la rendre disponible dans une boite d’un centimètre cube pour, par exemple, la placer dans un dispositif électronique de petite taille comme un téléphone portable par exemple.

Dans le cadre du partenariat, nous partons de la valorisation d’un brevet pré existant que nous pourrions industrialiser ensemble, une fois les prototypes développés (recherche expérimentale, recherche appliquée)

Nous avons grassé les termes qui nous ont semblé essentiels dans le projet de R&D.
« Micro-­‐oscillateur paramétrique optique à cavités couplées »
Le présent texte est à l’état de pré-­‐projet de façon à permettre une première discussion sur les possibilités de financement. Je vous serais gré de bien vouloir m’indiquer si vous souhaitez des approfondissements ou des précisions.

Résumé

La cryptographie quantique nécessite une source lumineuse qui peut être soit une source d’états cohérents, une source de photons uniques, ou bien une source de photons jumeaux. La génération de photons jumeaux (ou intriqués), qui est la voie la plus prometteuse en terme de distance de communication, est usuellement obtenue au sein d’un cristal non-­‐linéaire excité par un laser. Néanmoins, le mécanisme de génération est très peu efficace, ce qui limite fortement le débit. Les sources les plus efficaces reposent sur l’utilisation de systèmes macroscopiques dont la taille et le coût limitent fortement toute utilisation hors d’un laboratoire. Le présent projet vise à la réalisation de micro-­‐sources intégrées de photons jumeaux. La génération de photons jumeaux est obtenue par interaction paramétrique entre les excitations électroniques du milieu actif (ensemble de puits quantiques) d’une structure à microcavités couplées qui présente des analogies avec les bi-­‐ ou tri-­‐ VCSEL. Le principe physique sous-­‐jacent est semblable à celui utilisé dans les sources paramétriques classiques utilisant des systèmes de grande taille. L’originalité de la source proposée est d’offrir une solution permettant d’obtenir une source de taille micrométrique sous forme d’un composant optoélectronique. Les nanostructures développées sont compactes, peuvent être injectées électriquement et sont compatibles avec un couplage des photons générés au sein de fibres optiques pour la transmission de l’information. Les principes physiques et techniques généraux sont décrits dans le document du brevet
« micro-­‐oscillateur paramétrique optique à cavités couplées » détenu par le CNRS et dont l’inventeur principal est J. Tignon.

Etat des travaux en cours

Depuis la rédaction du brevet, un certain nombre d’avancées ont été obtenues après fabrication (par épitaxie par jets moléculaire au LPN-­‐CNRS) et étude :

1) Dans les premières études, les photons (ou faisceaux) jumeaux étaient tous les deux émis perpendiculairement par rapport à la surface de la nanostructure, avec des longueurs d’onde légèrement différentes. Il en résultait deux inconvénients important : (i) il n’était pas possible de séparer aisément les deux faisceaux jumeaux, (ii) le faisceau complémentaire, émis à plus courte longueur d’onde, était moins intense que le faisceau signal. La nouvelle géométrie dite
« dégénérée en longueur d’onde» désormais utilisée, permet de générer des faisceaux parfaitement équilibrés en intensité et séparés spatialement par un angle de quelques degrés. Cette configuration ne requiert plus que deux cavités couplées au lieu des trois initiales et la manipulation des faisceaux jumeaux ainsi générés en est grandement simplifiée.

SCHÉMA INITIAL A CAVITÉ TRIPLE : width=
Figure 1 : gauche : schéma de pompage de la cavité triple. Centre : figure de dispersion des cavités non-­‐couplées (à gauche) et des cavités couplées (à droite). Les flèches indique le mécanisme paramétrique créant les faisceaux jumeaux signal et complémentaire (idler). Droite : émission mesurée en champ lointain. Voir l’article : C. Diederichs et al., Nature 440, 904 (2006). « Pump » décrit le laser de pompe externe qui a pour vocation à être remplacé par une injection électrique ainsi que cela est obtenu dans les VCSELs.

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NOUVEAU SCHEMA A CAVITE DOUBLE:

Figure 2 : gauche : schema de pompage et de generation des faisceaux jumeaux. Centre : figure de dispersion et principe de la génération paramétrique dégénérée en longueur d’onde. Droite : mesure de l’intensité du signal et du complémentaire montrant le seuil de l’oscillation paramétrique optique ainsi qu’un signal et un complémentaire équilibrés en intensité.
2) La température de travail a été augmentée jusqu’à la température ambiante alors que les premières études étaient limitées aux températures cryogéniques (hélium liquide) avec la nanostructure placée au sein d’un cryostat. Il est à noter néanmoins que les études à température ambiante doivent être reproduites et approfondies.

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Figure 3 : fonctionnement de la nanostructure à température ambiante (300 K).

3) Des mesures de « bruit quantique » ainsi que des mesures de corrélation (g(2)) ont été effectuées sur les photons jumeaux générés, qui nous ont permis de démontrer le caractère paramétrique des photons générés dans la nanostructure. Ces travaux sont toujours en cours au sein du laboratoire.

 

Propositions pour le projet

Les études menées jusqu’à présent sont relativement fondamentales. Il serait souhaitable d’apporter désormais un soutien en ingénierie afin de conduire le projet à son terme pour la réalisation d’un composant optoélectronique pleinement opérationnel. Nous proposons de contacter un fabriquant industriel de composant de type VCSEL afin de faire fabriquer un ensemble de nanostructures complémentaires.

Cet effort devra porter vers :
i) la fabrication de structures pour l’amélioration des performances à température ambiante
(ii) la fabrication de structures pour un fonctionnement à 1.55 mm (longueur d’onde Telecom)
(iii) développer l’injection électrique des structures
(iv) tester un nouveau schéma de microcavité opérant sur la non-­‐linéarité en Chi(2) et non plus sur le Chi(3) comme c’est le cas dans les structures actuelles. Le coût de fabrication de tels échantillons auprès d’un industriel reste à chiffrer et je propose que cela fasse l’objet d’une discussion entre nous avant d’aller plus loin.

Ainsi que cela a été évoqué lors de notre première rencontre, il serait très bénéfique, si le financement le permet, d’embaucher des ingénieurs (et / ou un doctorant) dédiés au projet pour toute la partie « plus appliquée » du projet.
Pour la partie amont, nous proposons l’achat de plusieurs équipements destinés à la poursuite des études en cours au sein du LPA à l’ENS (notamment pour les études à 1.55 mm).

Fabrication de nouvelles structures
Coût restant à chiffrer en fonction de nos discussions.

1) Fonctionnement à température ambiante.

Le développement d’un composant fonctionnant à température ambiante requiert la fabrication d’un ensemble de plusieurs structures spécialement

dessinées par nos soins, contenant plus de puits quantiques, et des miroirs de Bragg plus épais que les structures actuelles. Ces structures devront être fabriquées par épitaxie et par jet moléculaire (ou une technique équivalente), dans les composés GaAs/AlGaAs. A cet étape du développement et si le financement le permet, il serait souhaitable de contacter une entreprise industrielle spécialisée dans la fabrication de VCSELs plutôt que de continuer de fonctionner avec notre laboratoire partenaire habituel dont les délais sont trop longs et qui ne permet pas de tester un nombre suffisamment important de structures. Les VCSELs étant des structures technologiquement très proches des structures qui nous intéressent ici, nous savons que la technologie existe pour obtenir une fabrication adéquate au projet.
Dans un premier temps, les structures en question pourront être pompées optiquement comme nous le faisons à l’heure actuelle au laboratoire (avec un laser Ti :Sa). Dans un deuxième temps, il serait souhaitable de demander la fabrication d’une injection électrique intégrée telle qu’elle est couramment réalisée dans l’industrie pour les VCSELs (avec la même entreprise). Obtenir cela d’un industriel réduirait grandement le temps d’avancement du projet. En effet, cette activité est essentiellement une activité d’ingénierie bien maîtrisée par l’industrie mais qui dépasse les compétences et l’intérêt d’un laboratoire comme le LPA.
Les structures ainsi fabriquées pourront être testées par des mesures optiques au LPA à l’ENS.

2) Micro-­‐OPO à 1.55 microns

Les VCSELs les plus communs sont fabriqués pour la gamme 750-­‐950nm à base des matériaux GaAs/AlGaAs. Un fonctionnement à 1.55 μm requiert l’utilisation de matériaux à base de phosphure (InAlGaAsP sur InP par exemple). Pour la fabrication de telles structures, qui sont bien mieux adaptées à la propagation sur de longues distances dans des fibres optiques, nous proposons donc de contacter une entreprise qui sait fabriquer des VCSEL dans les deux systèmes de matériaux. Les tests sur des structures émettant à ces longueurs d’onde nécessiteront l’achat d’équipements complémentaire pour le LPA (voir plus bas).

3) Cavité en Chi(2) pour 1.55 microns
Le fonctionnement à à 1.55 μm peut a priori aussi être obtenu selon un principe physique, légèrement différent de celui étudié jusqu’à présent, mais utilisant encore les matériaux à base de GaAs (travaux non publiés). Nous proposons aussi de faire fabriquer de telles structures dont la croissance est a priori plus aisée que pour les matériaux sur InP.

Equipement pour le laboratoire

Voici une liste d’équipement a priori nécessaire. Durant notre discussion au CNRS,
M. Mauchien (partenaire de liaison entre Alantys et CNRS) avait évoqué l’idée qu’une partie des travaux pourraient être effectués hors du LPA, par exemple pour les aspects dédiés à un développement plus technique. Si tel est le cas, il faudra ajouter à l’équipement ci-­‐dessous une liste complémentaire afin d’équiper un nouveau set-­‐up expérimental (table optique, composants optiques et mécaniques, appareils électroniques de base, etc.).

1) Laser continu monomode (102 k-­‐euros) et son laser de pompe (88 k-­‐euros) Un laser continu monomode serait souhaitable afin d’étudier proprement la statistique des photons jumeaux générés. A l’heure actuelle, le LPA utilise en mode continu un laser normalement fait pour générer des impulsions courtes. Il en résulte une incertitude sur certaines mesures et de nombreux délais.

2) Laser à 1.55 mm accordable (47 k-­‐euros)
L’étude des structures émettant à 1.55 mm nécessiterait dans un premier temps de pouvoir les exciter à l’aide d’une pompe optique. Il faut pour cela un laser à
1.55 mm accordable en fréquence de façon à pouvoir ajuster précisément la longueur d’onde de la pompe. Dans un deuxième temps, les structures seront injectées électriquement.

3) Caméra CCD InGaAs refroidie (80 k-­‐euros)

La caractérisation optique et l’étude des structures émettant à 1.55 mm nécessiterait l’acquisition d’une caméra CCD InGaAs refroidie (afin d’abaisser le bruit des mesures).

4) Détecteurs pour corrélations à 1.55 mm (42 k-­‐euros) et carte associée (22 k-­‐ euros)
Cet équipement permettrait d’étudier la statistique des photons émis à 1.55 mm afin de démontrer que leur propriétés présentent les performances requises pour des applications en optique quantique.

Une première estimation pour l’ensemble des équipements ci-­‐dessus est donc de 381 k-­‐ euros (sans compter la fabrication des structures). Si cela est possible, il serait souhaitable de pouvoir y ajouter un budget pour du petit équipement en opto-­‐ mécanique (miroirs, lentilles, platines de translation etc).

Description de l’équipe du LPA
L’équipe « optique » au Laboratoire Pierre Aigrain de l’ENS est spécialisée en optique cohérente et non-­‐linéaire pour l’étude de nanostructures semiconductrices (microcavités, boites quantiques, nanotubes de carbone) permettant le confinement des excitations électroniques ou des photons. Les équipements expérimentaux incluent notamment un ensemble de lasers femtoseconde/picoseconde Ti :Sa, un amplificateur régénératif, un OPA, un ensemble de spectromètres et de cryostats.

Biographie de Jérôme Tignon
Jérôme Tignon est né en 1969 en France. Il a étudié à l’Ecole Normale Supérieure (MIP) et à l’Université Pierre et Marie Curie (Paris 6). Après un DEA « physique quantique », il a effectué sa thèse au LPMC de l’ENS (dir. C. Delalande), thèse pendant laquelle il a étudié les propriétés optiques de nanostructures semiconductrices. En 1996, il a rejoint le groupe de D.S Chemla au Lawrence Berkeley National Lab (Berkeley, Californie) pour un post-­‐doc de 2 ans, où il a conduit des recherches sur la spectroscopie ultra-­‐rapide (fs) de semiconducteurs III-­‐V (mélange à 4 ondes, interférométrie). En 1998, il a rejoint le LPA de l’ENS pour développer l’activité « optique cohérente et non-­‐linéaire ». Ses contributions principales de l’époque concernent notamment la dynamique des

polaritons de microcavité (mélange à 4 ondes, pompe-­‐sonde). Il a déposé un brevet sur le micro-­‐OPO à cavité verticale (Nature 2006). A compter de 2005, Jérôme Tignon a développé une nouvelle équipe indépendante au sein du LPA pour la spectroscopie THz ultra-­‐rapide. Il anime depuis une équipe composée de 3 permanents (avec S. Dhillon et J. Mangeney, tout deux CR-­‐CNRS). Les thématiques étudiées concernent principalement les lasers à cascade quantique THz (étude du gain, injection, modelocking des QCLs). Parmi les sujets plus récents, on compte l’étude du couplage ultra-­‐fort et des polaritons inter-­‐sousbandes, l’étude des excitations de spin dans les semiconducteurs semimagnétiques dilués ou l’étude du graphène. Jérôme Tignon a été nommé professeur en 2006, il a coordonné et participé à de nombreux contrats et réseaux nationaux ou internationaux (E.U et USA). Il est l’auteur de plus de 90 publications (incluant PRL, Nature, Nature Photonics, APL, IEEE etc.), détient 1 brevet et a donné plus de 25 exposés invités. Il a été ou est directeur de 10 thèses depuis son HDR. Il a été « chair » pour l’organisation d’une conférence internationale à Paris (300 participants), a été directeur d’une école internationale. Il a été membre du comité d’évaluation de l’ANR (SIMI 10).