Thèse soutenue

Intégration hybride pour l'émission et l'amplification optiques dans le proche infrarouge
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Auteur / Autrice : Zhengrui Tu
Direction : Éric Cassan
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies
Date : Soutenance le 22/03/2022
Etablissement(s) : université Paris-Saclay
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
référent : Faculté des sciences d'Orsay
graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
Jury : Président / Présidente : Philippe Delaye
Examinateurs / Examinatrices : Yannick Dumeige, Jean-Pierre Vilcot, Lionel Bastard
Rapporteurs / Rapporteuses : Yannick Dumeige, Jean-Pierre Vilcot

Mots clés

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Résumé

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La photonique silicium a suscité un intérêt considérable ces dernières années en raison de la possibilité de faire converger l'électronique et la photonique en s’appuyant sur les technologies microélectroniques bien établies. Des percées significatives ont été démontrées concernant les guides d'ondes optiques et les dispositifs optiques passifs pour distribuer la lumière, filtrer les signaux optiques, additionner les longueurs d'onde individuelles autour de 1,55µm, ainsi que dans le domaine des structures actives pour la modulation et la détection de la lumière. Les principales applications potentielles de cette approche sont les interconnexions optiques dans les puces CMOS, les récepteurs optiques pour les télécommunications, la bio-détection, la photonique micro-ondes et les communications quantiques sur puce. Malgré les progrès importants du domaine, des points clés restent à résoudre pour le développement de toutes ces applications. L'un des principaux défis dans le domaine de la photonique silicium est de développer des sources optiques intégrées et des amplificateurs optiques sur puce. En effet, le silicium est un matériau à bande interdite indirecte, ce qui lui confère une efficacité d'émission stimulée très faible qui entrave la réalisation de sources et d'amplificateurs. Dans ce contexte, cette thèse apporte une contribution à l'étude des amplificateurs et lasers sur puce à base d'Erbium. Un axe principal du travail réalisé est la recherche de la miniaturisation des guides d'ondes actifs (<1mm, voire <<1 mm) et la prise en compte systématique d'une perspective d'intégration sur silicium en favorisant le schéma de longueur d'onde de pompe à 1480 nm. Des guides d'ondes actifs en SiN recouverts de couches d'Al₂O₃ dopées à l'Erbium à plus de 10²¹ cm⁻³ et déposées par la technique ALD à l'université d'Aalto sont à la base des démonstrations expérimentales de ce travail. Des gains modaux de 10-20 dB/cm sont démontrés dans ces guides d'ondes. Sur la base de ces résultats, des travaux théoriques et de simulation sont menés dans le but d'étudier des conceptions agressives en termes de longueurs de structures actives. À travers différentes études, la caractéristique explorée est l'utilisation de résonateurs nécessaires dans tous les cas pour obtenir un effet laser. Différents types de cavités et de résonateurs à résonance simple ou double sont étudiés et conçus pour la réalisation de sources intégrées en utilisant les propriétés mesurées des guides d'ondes actifs étudiés expérimentalement. Dans l'ensemble, les travaux réalisés contribuent à la réalisation de sources de lumière compactes (<< 1 mm) en photonique du silicium en exploitant les progrès récents dans la croissance des couches actives dopées aux terres rares et la conception de résonateurs à résonance multiple. La combinaison de résonateurs à cristaux photoniques 1D, basés sur des guides d'ondes en SiN ou en silicium (typiquement des cavités nanobeam), et de tels matériaux actifs offre des perspectives pour le développement de sources de lumière entièrement intégrées dans la filière silicium.