Design of a silicon photonics circuit for quantum cryptography applications

La distribution quantique de clés (QKD) offre une sécurité inconditionnelle fondée sur les principes de la mécanique quantique, représentant une solution prometteuse face aux vulnérabilités des protocoles cryptographiques classiques exposés aux capacités de calcul en constante évolution. Pour permettre un déploiement à grande échelle des systémes QKD, une plateforme stable, scalable et économiquement viable est essentielle. Dans ce contexte, la photonique sur silicium s'impose comme un candidat solide, offrant une compatibilité CMOS, une densité d'intégration élevée et des procédés de fabrication matures. Cette thèse explore la conception, la fabrication et la validation expérimentale d'une source QKD intégré réalisé sur une plateforme en silicon-on-insulator (SOI).Le travail commence par une introduction à la QKD et à la photonique intégrée, en examinant les principes théoriques et les motivations technologiques qui motivent leur intégration conjointe. En se basant sur le protocole choisi, les composants nécessaires à la réalisation d'un émetteur intégré sont identifiés et étudiés en détail. La conception de chaque composant repose à la fois sur des modélisations analytiques et des simulations numériques, avec une attention particulière portée aux compromis entre performance, encombrement et compatibilité avec la plateforme technologique de STMicroelectronics. Des prototypes ont été fabriqués dans le cadre de deux differents wafers, dontle second, optimisé, a démontré de meilleures performances.À partir des composants validés, un setup expérimental complet est développé pour évaluer la fonctionnalité de la source QKD intégré. Celui-ci comprend le packaging de la puce SOI sur une carte PCB sur mesure avec des lignes de transmission adaptées en impédance, l'intégration d'une source laser externe, ainsi que la mise en oeuvre d'un système de contrôle incluant une plateforme FPGA. Le dispositif de réception repose sur une configuration interférométrique en espace libre et sur des superconducting nanowire single-photon detectors (SNSPDs).Les travaux présentés démontrent avec succès la faisabilité d'un émetteur QKD basé sur la photonique sur silicium, offrant une solution évolutive et compacte pour la cryptographie quantique. Les objectifs à court terme incluent la démonstration complète d'un échange de clés et l'optimisation des pertes d'insertion liées au couplage et au packaging. Une transition vers des récepteurs plus compacts et l'intégration du contrôle électronique sur une plateforme monolithique constituent des perspectives à plus long terme, essentielles pour permettre le déploiement d'un système QKD intégré dans des réseaux réels.