Réalisation et étude d'un commutateur optoélectronique ultrarapide basé sur l'excitation d'un mode dans un guide d'onde non linéaire couplé par réseau

Study and realization of an ultrafast optoelectronic switch, based in non linear waveguide coupled with grating

• Auteur / Autrice : Michel Carton
• Direction : Suzanne Laval
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 1988
• 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

Photolithographie

Ondes non linéaires

Mots clés libres

Guide d'onde non linéaires

Commutateur optoélectronique

Résumé

Cette thèse présente l’étude et la réalisation d’un commutateur optoélectronique à seuil de puissance qui permet d'obtenir sous l'effet d'un faisceau lumineux impulsionnel des commutations électriques plus franches et mieux définies dans le temps qu'avec un commutateur optoélectronique classique. Le fonctionnement de ce dispositif est basé sur l’excitation optique (à 1. 064 micron) en régime non linéaire, à l'aide d'un réseau, d'un mode guidé dans un film de silicium épitaxié sur un substrat de saphir. On décrit le principe de fonctionnement des commutateurs optoélectroniques classiques et les avantages du présent commutateur. On présente les propriétés du silicium sur saphir, notamment les origines de non-linéarité optique de ce matériau. On fait une étude théorique des guides d'ondes optiques plans présentant une faible absorption et des guides pour lesquels le couplage est réalisé par un prisme ou un réseau. Cette étude permet de définir les conditions d'excitation d'un mode guidé. On décrit la réalisation du commutateur que l'on cherche à mettre au point : gravure d'un réseau diffraction de pas submicronique (0,33 micron) à la surface du silicium, traitement pour augmenter la durée de vie des porteurs, dépôt des électrodes, mais aussi les étapes de contrôle : mesures de l’épaisseur des couches minces par ellipsométrie, mesures de durée de vie des porteurs libres dans les échantillons, observation au microscope électronique des profils des réseaux. L'étude expérimentale du commutateur a été réalisée sur le mode guidé TEo. En régime linéaire, on détermine les caractéristiques électriques et optiques du dispositif ; l’étude est ensuite poursuivie en régime non-linéaire avec des impulsions lumineuses de 20 ns de durée, issues d'un laser déclenché Nd : YAG, qui ont permis de produire des commutations montante et descendante sur le signal électrique. Ces commutations montrent la possibilité de mieux définir le front montant électrique issu d’un commutateur optoélectronique.

This thesis presents a theoretical study and the realization of an original optoelectronic switch allowing steeper electrical switching than those obtained with a classical deviee. The electrical switching takes advantage of the optical excitation (at 1. 064 μm) of a guided mode in a thin semiconductor film used as a nonlinear waveguide. This guide is made of an epitaxial silicon layer grown on a sapphire substrate, coupling occuring owing to a diffraction grating. Classical optoelectronic deviees are described and the main properties of silicon on sapphire are presented and more particularly the origins of the optical non linearity. A theoretical study of optical guided modes is made in the case of low damping or coupling with a prism or diffraction grating. The realization of the device is described : etching a diffraction grating with 0. 33 > μm groove spacing, on silicon perfecting a process to increase the silicon carrier lifetime, microstrip electrode deposition, and also checking steps like : ellipsometric measurements of thin film thickness, measurements of free carrier lifetime, observations with SEM of grating profiles. A linear study of this deviee has been performed on the TE polarization to determine the electric and optical characteristics of the device. To carry out the nonlinear study, 20 ns duration light pulses from a Q-switched Nd:YAG laser have been used. Observation on the electrical signal of a switching-up front demonstrates the capabilities of the studied optoelectronic switch to work as threshold switch.