Vers le laser Raman à cristal photonique en filière silicium

Toward the silicon photonic crystal Raman laser

• Auteur / Autrice : Zheng Han
• Direction : Philippe Boucaud, Xavier Checoury
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance en 2010
• 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

Cristaux photoniques

Spectroscopie Raman

Raman, Effet augmenté en surface

Mots clés libres

Cristal photonique, diffusion Raman, laser Raman, cavité à cristaux photoniques, facteur de qualité, facteur de Purcell

Photonic crystal, Raman scattering, Raman laser, photonic crystal cavity, quality factor, purcell factor

Résumé

Ce travail de thèse est essentiellement consacré à l'étude et à la réalisation d'un laser Raman basé sur les structures à cristaux photoniques (CP) en filière silicium. Nous avons montré que des guides d'onde ridges d'accès combinés avec des tapers inversés permettent d'améliorer efficacement le couplage expérimental de la lumière externe dans des CP. Nous avons réalisé des cavités à CP en approche membrane qui ont permis d'atteindre des facteurs de qualité supérieurs à 2 millions avec un volume modal de l'ordre de la longueur d'onde au cube. Nous avons montré également que le facteur de qualité des cavités à CP dépend de la position des guides d'onde à CP utilisé pour le couplage. Parallèlement, les modélisations numériques sur un nouveau design des cavités en approche SOI nous ont donné un facteur de qualité élevé jusqu'à 8 millions. Nous avons observé une mise en forme du spectre Raman et un renforcement de l'efficacité de la diffusiion Raman d'un factuer supérieur à 10 dans un guide d'onde à CP W1 par rapport à un guide d'onde ridge mono-mode. En particulier, nous avons analysé cette exaltation à travers l'effet Purcell. Nous avons montré qu'une valeur déterministe et une mesure du facteur de Purcell dans une micro-cavité en semi-conducteur peuvent être obtenues en utilisant la diffusion Raman spontanée comme source interne. Un nouveau design de cavité supportant une double résonnance nous a permis d'observer une diffusion Raman stimulée à température ambiante sous une excitation continue. Ces résultats nous permettent de prévoir un seul laser inférieur à 100 mW si l'absorption par porteurs libres peut être rendue négligeable.

This work of this thesis has been primarily devoted in the studies and the realization of a Raman laser based on silicon photonic crytal structures. We have shown that access ridge waveguides combined with the inverted tapers allow in optimise efficiently the experimental coupling of the light from an optical fibes into the photonic crystal. We have fabricated the photonic crystal cavities in membrane approach which have allowed to reach quality factor above 2 million with a modal volume of the order of cube wavelenght. The quality factor of photonic crystal cavities has been found dependent on the position of the photonic crystal waveguide used for the coupling. In parallel, the numerical modelings on a new design of the photonic crystal cavities in SOI approach have demonstrated an ultra-high quality factor above 8 000 000. We have observed a reshaping of the Raman spectrum and a more than tenfold enhancement of the Raman scattering efficiency in a W1 photonic crystal waveguide as compared to a single mode ridge waveguide. In particular, we have analysed this enhancement through the Purcell effect. We have shown that a deterministic value and measurement of the Purcell factor in a semiconductor microcavity can be obtained by using spontaneous Raman scattering as an internal source. A new design of a microcavity supporting a double resonance has allowed us to observe stimulated Raman scattering at room temperature under continuous excitation. The model, which accounts for stimulated scattering, two-photon absorption and free-carrier absorption, allows us to predict the onset of Raman lasing in silicon photonic crystals.