Recherche Avancée

Thèse soutenue

Dispositifs hybrides graphène-cristaux photoniques pour le contrôle temporel et spatial de la lumière

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Auteur / Autrice : Maxim Rybin
Direction : Pierre Viktorovitch, Elena Obraztsova
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Electronique, Electrotechnique et Automatique
Date : Soutenance le 09/10/2013
Etablissement(s) : Ecully, Ecole centrale de Lyon
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des nanotechnologies de Lyon - Site d'Ecully / INL
Jury : Président / Présidente : Xavier Letartre
Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Vivien, Serge Lefrant

Mots clés

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Mots clés contrôlés

Silicium
Graphène
Photonique

Mots clés libres

Miniaturisation photonique
Graphène
Silicium

Résumé

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La croissance continue de la complexité des systèmes rend inévitable le développement de procédés technologiques pour lesquels différents types de matériaux sont intégrés de manière hétérogène dans le but de réaliser une palette de fonctionnalités, tout en miniaturisant la taille des dispositifs et en abaissant les coûts de fabrication. Cela est particulièrement vrai dans le domaine de la Photonique, pour laquelle ces impératifs peuvent être atteints selon les lignes résumées ci-après : -Miniaturisation photonique, dont la principale motivation réside dans la nécessité d’assurer un faible budget thermique, ainsi qu’une bonne compatibilité topologique avec les circuits microélectroniques, tout en bénéficiant du contrôle de l’interaction lumière-matière offert par les microstructures photoniques. - Intégration photonique hétérogène active/passive, combinant les matériaux actifs (émission de lumière, caractéristiques non-linéaires) les plus efficaces avec les matériaux passifs les mieux adaptés (conduction et confinement de la lumière), en vue de tirer le meilleur parti de chacun. Ce travail de thèse est consacré au développement de nouvelles approches destinées à satisfaire les impératifs évoqués précédemment, l’objectif étant la production de nouvelles classes de dispositifs photoniques associant les matériaux silicium et graphène, exploitant les caractéristiques non-linéaires uniques de ce dernier (absorption saturable ultrarapide et indépendante de la longueur d’onde) et les remarquables capacités du premier pour la fabrication de structures photoniques miniaturisées permettant un fort confinement de la lumière en utilisant les procédés de fabrication avancés et bas coût de la microélectronique silicium. Concernant la miniaturisation photonique, il est proposé de mettre en oeuvre une stratégie de confinement de type diffractif à base de structures périodiques à fort contraste d’indice pour le contrôle spatio-temporel de la trajectoire des photons. 3 Cette stratégie, au cœur des récents développements de la Micro-Nano-Photonique, est usuellement répertoriée sous la nomination de l’approche « Cristal Photonique ». Selon cette approche le matériau silicium a été utilisé en raison de ses remarquables caractéristiques photoniques : son indice optique élevé (autour de 3,5) en fait un excellent candidat pour la réalisation de cristaux photoniques ; cela s’est avéré particulièrement vrai dans la configuration dite membrane, dans laquelle un cristal photonique 1D est formé dans une couche mince de silicium sur isolant, en l’occurrence la silice (SOI). Il a été démontré, théoriquement et expérimentalement, que ces cristaux photoniques 1D peuvent se comporter comme des résonateurs, adressables par la surface verticalement, c’est-à-dire comme des réservoirs de photons où l’énergie électromagnétique peut être accumulée et stockée temporairement de manière à assurer un couplage efficace (absorption) au matériau graphène, moyennant un coût très réduit en termes de la puissance incidente (réduction théorique d’un facteur 25, facteur 7 réalisé expérimentalement). Le résonateur à base de cristal photonique 1D conçu et réalisé dans ce travail fournit également un « sous-produit » photonique très attractif : il se comporte comme un réflecteur compact très efficace, dont les caractéristiques spectrales peuvent être contrôlées à volonté. Un travail important à été consacré à la synthèse du graphène par méthode de dépôt en phase vapeur sur des substrats de nickel et de cuivre : une analyse détaillée de l’influence des paramètres de dépôt et des mécanismes de croissance a été réalisée. Il a été démontré que ces substrats peuvent être utilisés pour la production de une à quelques monocouches de graphène couvrant une surface d’environ 2cm2, de très haute qualité structurale, comme validé par spectroscopie Raman. [...]