Guides d’Ondes Monocristallin pour les capteurs et Mémoires quantiquEs compaTibles TÉlécom – GOMMETTE

Le projet GOMMETTE vise à faire émerger une nouvelle plateforme de photonique intégrée compatible avec les longueurs d’onde télécom, qui permettra l’amélioration des processeurs quantiques à base de cristaux dopés aux ions erbium (Er). Ces systèmes sont actuellement à l’étude pour le développement de mémoires quantiques (MQ) et d’analyseurs spectraux de signaux radiofréquence large bande et temps réel (ASRF). Cependant, malgré de remarquables démonstrations de principe, plusieurs limitations retardent l’émergence d’une technologie mature fonctionnant à la longueur d’onde télécom. Les principaux freins sont les mêmes pour les MQ et l’ASRF, à savoir une trop faible interaction lumière matière, qui impose de travailler avec des concentrations importantes d’ion Er (>10ppm), favorisant ainsi les processus de décohérence via les interactions Er-Er. Afin de limiter cette décohérence il semble donc indispensable de travailler avec le plus faible dopage possible en ion Er. D’autre part, les ions Er sont difficiles à adresser optiquement, ce qui implique d’envoyer des impulsions de contrôle relativement longues, qui limitent à la fois la résolution spectrale des ASRF mais également l’efficacité de stockage dans le cadre des MQ. Notons également que ce faible couplage lumière-matière entraîne d’autres limitations en termes de multiplexage fréquentiel dans ces deux applications.

GOMMETTE propose de solutionner ces limitations en développant des guides d’ondes monocristallins (GOM) alliant un confinement de la lumière, permettant une augmentation de l’interaction lumière-matière, à une préservation de l’exceptionnelle finesse des largeurs de raies homogènes des ions Er. Actuellement, aucun GOM préservant les propriétés des ions Er observée dans les cristaux massifs n’a encore été démontré. Le matériau utilisé sera le monocristal Er:Y2SiO5 (Er:YSO) qui est actuellement le matériau de référence des applications citées ci-dessus. Afin de garantir la conservation des propriétés de Er:YSO nous développerons un procédé de structuration original faiblement invasif et versatile. Ce procédé est basé sur les techniques d’amincissement, d’adhésion moléculaire et de gravure sèche largement utilisées dans l’industrie électronique. Il permettra l’obtention d’une hétérostructure hybride basée sur l’assemblage d’Er:YSO avec un substrat d’indice de réfraction plus faible (verre). Cet empilement composite sera ensuite structuré en guide d’ondes à l’aide des méthodes peu invasives de lithographie et de gravure sèche (ICP-RIE) qui offrent une grande flexibilité en terme de taille et de motif de gravure. Cette maitrise d’une méthode de structuration versatile du monocristal le plus étudié pour la réalisation de MQ constituera un atout stratégique en vue d’une mise à l’échelle industrielle.

L’objectif de ce projet est donc d’exploiter le potentiel d’intégration et de fonctionnalité des GOMs pour augmenter significativement l’interaction entre la lumière et la matière tout en diminuant les processus de décohérence induits par les interactions entre ions Er. Le composant final, plateforme de photonique intégrée hautement évolutive opérant à la longueur d’onde des télécommunications et compatible avec l’utilisation de fibres optiques, permettra le développement de nouveaux processeurs quantiques aux fonctionnalités étendues. Ainsi, un analyseur de spectre à large bande aux performances inégalées fonctionnant aux longueurs d’onde télécom sera démontré. Une démonstration préliminaire de stockage optique multiplexé en fréquence sera également réalisée afin de confirmer l’intérêt de cette plateforme pour les MQ.

Ce projet pluridisciplinaire à l’interface entre chimie des matériaux, photonique et physique quantique impliquera trois partenaires académiques et un industriel. Le consortium présente un large éventail d’expertises incluant croissance cristalline, structuration et physique atomique, allant jusqu’au développement et à la validation du dispositif final.