Génération de seconde harmonique dans des guides d’ondes à base de nitrure d’éléments III

Second harmonic generation in III-nitride waveguides

• Auteur / Autrice : Maksym Gromovyi
• Direction : Jean-Yves Duboz, Marc De Micheli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 30/03/2018
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Nice (1965-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche sur l'hétéro-épitaxie et ses applications (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes) - Centre de recherche sur l'hétéroepitaxie et ses applications
• Jury : Président / Présidente : Jacqueline Bloch
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Yves Duboz, Marc De Micheli, Jacqueline Bloch, Giuseppe Leo, Nicolas Grandjean, Katia Gallo, Yannick Dumeige
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Giuseppe Leo, Nicolas Grandjean

Mots clés

Mots clés contrôlés

Umpolung

Accord de phase (optique)

Guides d'ondes

Analyse harmonique (mathématiques)

Optique non linéaire

Mots clés libres

Optique non linéaire intégrée

Génération de deuxième harmonique

Guides d’ondes en Nitrure d’éléments III

Accord de phase modale

Inversion de polarité

Integrated nonlinear optics

Second harmonic generation

III-nitride waveguides

Modal phase matching

Polarite inversion

Résumé

Ce travail est consacré à l’étude de la génération de deuxième harmonique (SHG) dans des guides d’ondes de Nitrure d’éléments III. Un des buts principaux de ce travail, était d’identifier les origines des pertes à la propagation dans les guides d’ondes GaN et de fortement les réduire dans des guides présentant des possibilités d’accord de phase, pour améliorer l’efficacité de la SHG. Nous avons fait un progrès très important dans cette direction et avons fabriqué des guides d’ondes plans de GaN épitaxiés sur des substrats de saphir avec des pertes à la propagation inférieure à 1dB/cm dans le visible. Dans ces guides d’ondes à faibles pertes, il a été possible d’obtenir un processus de SHG efficace en utilisant l’accord de phase modal. Nous avons obtenu 2% de conversion entre une pompe dans le proche infrarouge et un harmonique dans le visible, ce qui correspond à une efficacité de conversion normalisée de 0,15%W-1cm-2. Les pertes à la propagation et l’efficacité de conversion obtenues sont les meilleurs résultats rapportés jusqu'ici pour des guides d’ondes plan en GaN. De plus, nous avons étudié des guides d’ondes de Nitrure d’éléments III épitaxiés sur des substrats de Si, dont la fabrication demande de relever plusieurs défis, mais qui ouvrent des possibilités intéressantes. La première est la possibilité de graver sélectivement les nitrures ou le Si, ce que nous avons utilisé pour développer une plate-forme permettant la fabrication d’objets suspendus comme des micro-disques, des guides d’ondes et des micro-disques couplés à un guide d’ondes. Cette plate-forme a permis la première démonstration de SHG doublement résonante en utilisant un accord de phase modal entre des modes de galerie du micro-disque. Bien que toutes les expériences que nous avons exécutées aient été faites dans une région spectrale limitée, l’étude numérique présentée dans ce manuscrit démontre la grande adaptabilité de cette plate-forme basée sur la possibilité de faire varier la composition des guides d’ondes AlGaN de GaN pur à AlN pur. La deuxième possibilité liée à l’épitaxie de nitrures d’éléments III sur Si, est qu'en la combinant avec des techniques de report, on peut jouer avec des guides nitrures d’éléments III sur SiO2. Nos résultats numériques révèlent le potentiel complet des guides d’ondes d’AlGaN en démontrant qu’en utilisant différentes combinaisons de mode et en jouant sur la composition et la géométrie des guides d’ondes, il est possible d’obtenir un signal de deuxième harmonique dans l’ultra-violet, le visible ou le proche-infrarouges. Ces résultats montrent aussi, que pour améliorer encore l’efficacité de la SHG, on doit fabriquer des guides d’ondes canaux présentant un isolement optique parfait du substrat de Si et une inversion de polarité précisément placée dans le cœur du guide d’ondes. Dans une telle structure on pourrait profiter simultanément du confinement de la puissance, de l’accord de phase modal et d’un recouvrement optimisé des modes en interaction. Dans ce cas, nos calculs montrent que l’efficacité de conversion pourrait atteindre 100%W-1cm-2. Au cours de ce travail nous avons pu tester des guides canaux et des guides présentant une inversion de polarité dans le cœur. La qualité des flancs des guides canaux s’est avérée être tout à fait encourageante, mais leur performance non linéaire sont restées très limitées, principalement à cause de fortes pertes à la propagation dues au couplage avec le substrat absorbant et à la forte rugosité de surface des couches inversées. Les structures utilisant les techniques de report, n'ont pu être testées car elles ont cassé en cour de fabrication. L'obtention de guides optimisés exige de progresser encore pour réaliser des couches de confinement optique plus épaisses et/ou d’adapter la technique de report à ces matériaux.

This work is dedicated to the study of the second harmonic generation (SHG) in III-Nitride waveguides. One of the main goals of this work, was to identify the origins of the propagation losses in GaN waveguides, and to strongly reduce them in waveguides presenting some phase matching possibilities, in order to improve the SHG efficiency. We have made a very important progress in this direction, and fabricated by hetero-epitaxy GaN planar waveguides on sapphire substrates with propagation losses below 1dB/cm in the visible spectral region. These low-loss waveguides were used for the demonstration of an efficient second harmonic generation process using modal phase matching. We obtained 2% of power conversion from the near-infrared to the visible spectral regions with a normalized efficiency of 0.15%W-1cm-2. The obtained propagation losses and conversion efficiency are the best-reported results so far for GaN planar waveguides. In addition, we have studied epitaxial III-nitride waveguides on Si substrates, which are very challenging to fabricate, but opens new interesting opportunities. The first one is the possibility to etch selectively the nitrides or the Si. The selective chemical etching was used to develop a platform allowing the fabrication of suspended objects such as micro-disks, waveguides and micro-disks coupled to a waveguide. This platform has allowed the first demonstration of doubly resonant SHG using phase matching between the whispering gallery modes of a micro-disk. Although all the experiments we performed were done in a limited spectral region, the numerical study presented in this manuscript demonstrates the large adaptability of this platform based on the possibility of varying the composition of AlGaN waveguides from pure GaN to pure AlN. The second opportunity of epitaxial III-nitrides layers on Si is the possibility to combine them with report technologies to obtain III-nitride waveguides on SiO2. Our numerical results reveal the full potential of AlGaN waveguides by demonstrating that using different mode combinations and playing with waveguides composition and geometry, it is possible to obtain a second harmonic signal in the ultraviolet, the visible or the near-infrared spectral regions. These results also demonstrate, that to further improve the SHG efficiency, one has to fabricate ridge waveguides presenting a perfect optical isolation from the Si substrate and a polarity inversion precisely positioned in the core of the waveguide. In these structures one could benefit simultaneously from the power confinement, the modal phase matching and an optimized overlap of the interacting modes. In this case, we calculate that the conversion efficiencies could be as high as 100%W-1cm-2. Both ridge waveguides and polarity inversion were tested in this work. The quality of the ridges was quite encouraging, but their nonlinear performance remained limited mainly because of the high propagation losses due to the coupling with the absorbing substrate and to the roughness of the surface of the epitaxial inverted layers. The structures fabricated using the report technique, haven’t been tested, as they were broken during their fabrication. Getting fully optimized waveguides requires further progresses in realizing thicker optical buffer layers and/or adapting the report technique to these materials.