Etude et réalisation de structures en cristaux photoniques pour les applications de traitement du signal optique

Study and fabrication of photonic crystal structures for optical signal processing applications

• Auteur / Autrice : Sylvain Combrié
• Direction : Henri Benisty
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Optique Optoélectronique
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés libres

Traitement du signal

Optique intégrée

Plasmas denses

Membranes

Micro-cavités

Guides d'ondes

Résumé

Mon travail de thèse a porté sur des structures guidantes de semi-conducteurs III-V à base de cristaux photoniques, dans le contexte du traitement de signaux portés optiquement. Elles sont obtenues par gravure sèche exploitant une nouvelle gravure de type ''ICP'' où la densité du plasma y est contrôlée indépendamment de l'énergie cinétique des ions réactifs. Nous avons d'abord réalisé des trous profonds de haut rapport d'aspect, utiles en vue de l'intégration monolithique de plusieurs fonctions. L'hétérostructure utilisée présente l'originalité de ne pas comporter d'aluminium. Des mesures ont validés la qualité des technologies choisies. A l'occasion de ces efforts technologiques nous avons proposé une méthode de réalisation de membranes en GaAs. Les membranes ont la particularité de permettre des modes sans pertes. Nous avons pu, en collaboration avec le LPN, définir des rubans de grande longueur (>1 mm) sur lesquels nous avons effectué des mesures de transmission. Nous avons mis en évidence (i) de très faibles pertes de propagation et (ii) la baisse de la vitesse de groupe dans les ''modes lents'', descendant à des vitesses de c/11. Nous avons montré que ces structures pouvaient induire sur des signaux de quelques GHz des retards de phase de quelques dizaines de degrés, déphasage qu'on contrôle par le choix de la porteuse. On peut penser ainsi à des délais contrôlables miniatures. Enfin, nous avons intégré une cavité au voisinage d'un tel guide et avons montré le transfert résonnant avec des facteurs de qualités en couplage de ~28000, dont l'analyse suggère qu'ils correspondent à des facteurs de qualités intrinsèque de 43000, sensiblement à l'état de l'art mondial.

My PhD work was focused on III-V semiconductor guiding structures based on photonic crystals in the context of microwave signal processing for optical carriers. We fabricate them by dry etching techniques, exploiting a new etching technique known as “ICP”: the plasma density is controlled independently from the ion kinetic energy. We first realised deeply etched holes with a large aspect ratio, useful in view of monolithic integration of a plurality if functions. The particular heterostructure used for supporting photonic crystals is GaInP/GaAs/GaInP, an aluminium-free stack. Measurements did validate these technology synergies. During these technological efforts in TRT, we proposed a method for realising suspended GaAs membranes with high perfection. Although membranes are challenging when it comes to integration with other functions, they specifically give rise to “quasi lossless” modes when branches of the dispersion diagram may lie below the “light line”. A collaboration with LPN made it possible to define long guides (> 1mm), whose transmission could be safely measured. Exploiting the results, we evidenced (i) very low losses and (ii) a decrease in group velocity down to c/11. Correspondingly, we showed that these structures were indeed able to induce substantial dephasings (tens of degrees) onto GHz signals, dephasing that could be controlled in future miniature delay lines. Finally, we have integrated a cavity in the vicinity of such a guide, and we could evidence the resonant transfer with a coupled quality factor of ~28000. Analysis further suggests that they correspond to intrinsic quality factors of 43000, hence at level with worldwide state-of-the-art.