Détecteur en silicium sur cristal photonique par absorption non linéaire à deux photons

Silicon photonic crystal telecom detector using two-photon absorption

• Auteur / Autrice : Laurent-Daniel Haret
• Direction : Xavier Checoury
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 19/12/2012
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique fondamentale (Orsay, Essonne ; 19..-2016) - Institut d'électronique fondamentale
• Jury : Président / Présidente : David Cassagne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xavier Checoury, David Cassagne, Jean-Yves Duboz, Nicolas Le Thomas, Guang-Hua Duan, Philippe Boucaud, Sylvain Combrié
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Yves Duboz, Nicolas Le Thomas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs -- Jonctions

Cristaux photoniques

Photodiodes

Détecteurs de rayonnement infrarouge

Mots clés libres

Optoélectronique

Silicium

Cristal photonique

Détecteur

Jonction MSM

Semiconducteurs

Optoelectronics

Silicon

Photonic crystal

Detector

MSM junction

Semiconductors

Résumé

L'optique non linéaire sur silicium a pris son essor en raison des nombreuses perspectives d'applications à l'optoélectronique en circuit intégré. Pour observer des effets non-linéaires sans travailler à des puissances trop élevées, il faut utiliser des résonateurs à très haut facteur de confinement optiques (Q/V). Les microcavités à cristal photonique bidimensionnel sont une technologie mature et planaire pour réaliser de tels résonateurs sur silicium. Au cours de cette thèse, nous avons travaillé sur une application des microcavités à cristal photonique à la détection télécom. Le silicium est en effet transparent dans cette plage de longueurs d'onde, sauf si on atteint des densités de puissance élevées, auquel cas l'absorption à deux photons intervient. Le principe du détecteur repose sur l'exaltation de absorption à deux photons grâce à la microcavité en cristal photonique. La collection des porteurs ainsi générés est assurée par une jonction latérale métal-semiconducteur-métal (MSM). Nous avons d'abord étudié numériquement la viabilité du concept du détecteur sous deux aspects : collection des porteurs libres à travers le cristal photonique et influence des métallisations sur le facteur de qualité. Les modèles standards pour le courant d'obscurité et le photocourant dans les photodétecteurs MSM ont été étendus pour tenir compte du cristal photonique. La fabrication d'une jonction MSM dans le cristal photonique a fait l’objet d’un travail approfondi en salle blanche de l’IEF. La mesure du courant circulant dans le dispositif a permis de mettre en évidence un photocourant résonnant. On retiendra que la réponse peut alors atteindre 90 mA/W et que la bande-passante est supérieure au GHz. Outre la démonstration du détecteur en elle-même, des résultats originaux ont été obtenus. Nous avons montré qu'il est possible de contrôler les densités de porteurs dans les microcavités à cristal photonique en jouant sur la polarisation externe. Enfin, le détecteur est un moyen de mesurer certaines grandeurs essentielles de la physique des microcavités sur silicium, comme l’absorption linéaire résiduelle ou la résistance thermique de la cavité.

Silicon non linear optics is of considerable interest to the scientific community because of its applications to integrated optoelectronics. In order to observe non linear phenomena at a reasonable power, one has to work with very high confinement factor (Q/V) optical resonators. As they are now a fully mastered planar technology, two-dimensional photonic crystal microcavities are an efficient way of actually obtaining such resonators in silicon. In this thesis, an application of photonic crystal microcavities to telecom wavelength detection is demonstrated. Bulk silicon is transparent at these wavelengths, except when working at very high power density. Only then, two-photon absorption (TPA) becomes significant. In our detector, TPA is enhanced in the microcavity. A metal-semiconductor-metal (MSM) junction then ensures very fast carrier collection. We studied the physics of the detector and focused on two aspects: collection of carrier in a photonic crystal, and impact of the metal on the optical quality factor. Standard models for dark current and photocurrent in MSM junctions were adapted to the photonic crystal case study. Fabrication of the photonic crystal junction was carefully undertaken and optimized in the clean room of the IEF laboratory. The current circulating in the fabricated device resonates as the same wavelength as the optical cavity. Response can be as high as 90 mA/W, and the optical-electrical bandwidth is larger than 1 GHz. In addition to the demonstration of the detector, some original results were obtained. It is possible to control the carrier concentration in photonic crystal microcavities by tuning the external polarisation of the MSM junction. Finally, the detector allows one to measure important parameters of the physics of the cavity, such as the residual linear absorption coefficient, and the thermal resistance.