Conception, réalisation et caractérisation de composants photoniques intégrés à base de matériaux diélectriques élaborés par procédés plasmas

Design, fabrication and characterization of integrated photonic devices based on dielectric materials grown by plasma processes

• Auteur / Autrice : Thomas Begou
• Direction : Antoine Goullet, Bruno Bêche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Nantes
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ellipsométrie

Oxyde de titane

Silicium -- Composés organiques

Optique intégrée

Photonique

Guides d'ondes optiques

Résumé

Ce travail de thèse est consacré à la conception, la réalisation et la caractérisation de composants photoniques intégrés à base de matériaux diélectriques élaborés à basse température, sur substrat silicium, par procédé de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD). La fonction principalement visée est le guidage optique en configuration monomode. Les guides d'ondes sont conçus et simulés par des approches analytiques, déduites du formalisme des ondes électromagnétiques de Maxwell. Cette étape conduit aux dimensionnements du cœur et de la gaine de structures multi ou monomodales. Une première famille de guide de type Si/SiO2/SiOxCyHz est développée à partir de matériaux organosiliciés élaborés en plasma de mélange oxygène/hexaméthyldisiloxane. La caractérisation optique de ces films est réalisée par ellipsométrie spectroscopique. Les pertes optiques, associées à une propagation monomode transverse électrique (TE) ou transverse magnétique (TM), sont mesurées à partir d'un banc d'injection micronique équipé d'un laser à 670 nm. De nouveaux matériaux, à base d'oxyde de titane, particulièrement adaptés au développement d'une photonique à fort degré d'intégration (indice de réfraction élevé) ont été synthétisés à partir d'isopropoxyde de titane (TIPT) utilisé avec gaz porteur et dilué dans l'oxygène. Des propriétés potentiellement intéressantes ont été obtenues pour de fortes dilutions du TIPT. Une amélioration sensible des propriétés optiques (nTiO2=2,36 à 633 nm) et une densification des couches sont mises en évidence lorsque les échantillons sont synthétisés avec une faible polarisation radiofréquence (13,56 MHz) appliquée au niveau du porte substrat.

This work is devoted to the design, fabrication and characterization of integrated photonic devices based on dielectric materials grown at low temperature, on silicon substrate, by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). The functional property mainly aimed is the waveguiding in monomode configuration. Waveguides have been designed and simulated by the way of analytical approaches derived from the Maxwell electromagnetic wave formalism. This step leads to the core and cladding sizing for multi or monomode devices. A first class of Si/SiO2/SiOxCyHz waveguides is developed from organosilicon materials deposited in oxygen/hexamethylidisiloxane plasma. Optical characterization of these thin films is performed by spectroscopic ellipsometry. Optical losses corresponding to a monomode transverse electrical (TE) or transverse magnetical (TM) propagation are measured through a micronic injection bench equipped a 670 nm laser. New materials, close to titanium dioxide, well suited to the development of highly integrated photonics (high value of the refractive index) have been synthesized from titanium isopropoxide (TIPT) used with a carrier gas and diluted in oxygen. Potentially interesting properties have been obtained when the titanium precursor is highly diluted. A significant improvement of the optical properties (nTiO2=2. 36 à 633 nm) and a densification of the layers are observed when the samples are elaborated with a low radiofrequency polarization at the level of the substrate holder.