Contribution à l’optimisation du couplage Erbium – Nanograins de silicium pour des dispositifs photoniques compacts

Contribution to the optimization of coupling Erbium – silicon nanoclusters for compact photonic devices

• Auteur / Autrice : Khalil Hijazi
• Direction : Fabrice Gourbilleau, Richard Rizk
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Milieux denses, matériaux et composants
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Caen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diodes électroluminescentes

Photonique

Transfert d'énergie

Photoluminescence

Fourier, Spectroscopie infrarouge à transformée de

Erbium

Silicium

Pulvérisation cathodique

Résumé

L’étude porte sur des matériaux semi-conducteurs nanostructurés dopés à l’erbium, innovants et compatibles avec la technologie du Si pour développer des dispositifs photoniques tels que les guides d’onde, les amplificateurs optiques, et les lasers. Ces dispositifs sont destinés à l’augmentation du débit des communications optiques dans le réseau métropolitain (amplificateur planaire), mais aussi à favoriser l’association des fonctions microélectroniques et photoniques sur une même plaquette (source). De telles applications sont rendues possibles en utilisant les effets bénéfiques de la présence des nanograins de silicium dans une couche de silice dopée à l’erbium. En effet, suite à une excitation par un faisceau laser, le nanograin de silicium dans son état excité transfère efficacement son énergie aux ions erbium qui ensuite se désexcite en émettant un photon à 1,54 mu. M qui est la longueur d’onde standard des télécommunications. Grâce à ce couplage Si-Er, la section efficace effective de l’ion erbium est augmentée de 4 à 5 ordres de grandeur, ce qui est promoteur pour les applications susmentionnées. Le travail de ma thèse a donc consisté à fabriquer des couches minces Si-SiO2-Er par co-pulvérisation magnétron confocale et à optimiser le couplage Si-Er. Pour cela les effets de différents paramètres de dépôt sur la microstructure et les propriétés optiques des couches minces déposées ont été analysés pour aboutir au final à un taux d’ions Er3+ couplé aux nanograins de Si d’environ 30%. Des dispositifs optiques et électriques ont été testés en fin de thèse.

This study focuses on the erbium doped nanostructured semi-conductors materials, innovative and compatible with the Si technology to develop photonic devices such as waveguide, optical amplifiers, and laser. The development of such devices is linked to the enhancement of the optic communications rate in the metropolitan network, but also to promote microelectronic and photonic functions on the same chips. Such applications are made possible due to the beneficial effects of silicon nanoclusters in erbium doped silica layer. After an excitation by a beam laser, the silicon nanocluster in its excited state transfers efficiently its energy to the surrounding erbium ions, for which the desexcitation is followed by the emission of photon at 1. 54 mu. M. This later is the standard wavelength of the telecommunications. Thanks to this coupling Si-Er, the effective excitation cross section of Er ions is increased by about five orders of magnitude. Such an effect is a promoter for the applications mentioned above. This work has therefore consisted in fabricating Er doped-Si-SiO2 thin layers by RF confocal magnetron co-sputtering and in the optimization of the Si-Er coupling. The effects of the deposition parameters on the microstructure and the optical properties of the deposited layers have been deeply studied. At the end, I succeeded to couple 30% of the Er ions to Si nanoclusters. Optical and electrical devies have been tested and studied