Investigation et fabrication de structures en cristaux photoniques bidimensionnels pour émission de lumière et contrôle de mode optique à 1. 55 µm

Investigation and fabrication of 2D photonic crystals structures for light emission and optical modes control at 1. 55 µm

• Auteur / Autrice : Ko-Hsin Lee
• Direction : Anne Talneau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cristaux photoniques

Circuits intégrés photoniques

Mots clés libres

Gravure du plasma ICP-RIE

Guide d'onde

Adaptateur de mode

Membrane suspendue

Résumé

Ce travail de thèse porte sur des composants à cristaux photoniques (CP) bidimensionnels réalisés dans des matériaux à base d’InP pour un fonctionnement dans le domaine 1,55 μm. Au sein du CP, la périodicité de la constante diélectrique génère une bande interdite photonique, domaine de fréquence dans lequel la propagation des modes optiques est interdite. L’introduction de défauts dans le CP permet à certains modes optiques localisés d’exister. De telles structures peuvent alors être utilisées comme brique élémentaire d’un circuit intégré photonique. Nous avons étudié des adaptateurs de mode et des lasers monofréquences ainsi que des guides d’onde sur membrane InP. Les CP sont ici un réseau de trous fabriqués à l'aide de la gravure ionique réactive associée à un plasma à couplage inductif. Dans un plasma Cl2/Ar optimisé, nous avons obtenu une profondeur de gravure de 2,9 μm pour des trous de 250 nm diamètre. Nous avons montré que la présence de N2 dans un plasma contenant du chlore renforce la gravure anisotrope et supprime la rugosité des surfaces gravées, et que l’addition de BCl3 permet d’augmenter la verticalité des trous. Le plasma BCl3/N2 a permis d’obtenir les meilleurs profils et états de surface et une profondeur gravée de 1 μm. Plusieurs géométries d’adaptateurs de mode à CP. Ont été étudiées et leurs spectres de transmission ainsi que la divergence du mode émergent ont été caractérisés et comparés avec les résultats de simulation. La meilleure géométrie conduit à une amélioration de l’efficacité de transmission d’un facteur 4. Les guides W1 sur membrane InP présentent des pertes de propagation de 25 dB/cm pour des fréquences situées sous la ligne de lumière.

This PhD work focuses on two-dimensional photonic crystals (PhC) devices based on InP materials for application around 1. 55 µm wavelength. PhC is a periodic structure in dielectric constant and is characterized by photonic band gap, a frequency domain in which the light propagation is inhibited for certain directions. Introducing defects in the periodicity offers another manner for light guiding and photon localization, which may provide a platform for photonic integrated circuits. The investigated devices include PhC taper waveguides and multiple-constricted-waveguide lasers on InP substrate, and PhC channel defect waveguides on InP suspended membrane. The perforated PhC structures are realized using reactive ion etching technique associated with inductive coupled plasma. A Cl2/Ar plasma has been optimized and demonstrated an etch depth of 1. 9~2. 9 µm for 110~250 nm-diameter holes. We have demonstrated that the addition of N2 into chlorine-containing plasmas can enhance the anisotropic etching and suppress the etched surfaces roughness. In addition, we have shown that adding BCl3 augments the feature verticality. Extremely smooth etched sidewall surfaces are obtained when the etching is performed under the BCl3/N2 plasma; in which an etch depth of 1 µm can be achieved. Several contour geometries of PhC tapers are studied and their transmission spectra and beam divergences are measured and compared with the simulation results. The transmission efficiency can be enhanced by a factor of 4 owing to the proper taper design. As for suspended membrane, a propagation loss of 25 dB/cm has been obtained for W1 PhC waveguide while operating below the air-light line.