Développement de circuits photoniques intégrés de haute qualité en nitrure de silicium pour l'optique non-linéaire

Development of high quality silicon nitride chips for integrated nonlinear photonics

• Auteur / Autrice : Houssein El Dirani
• Direction : Xavier Letartre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique non linéaire
• Date : Soutenance le 07/10/2019
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École Centrale de Lyon (1857-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon, UMR5270 (Rhône) - Institut des nanotechnologies de Lyon
• Jury : Président / Présidente : Daniele Bajoni
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xavier Letartre, Christelle Monat, Corrado Sciancalepore
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Giuseppe Leo, Bart Kuyken

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photonique

Optique intégrée

Mots clés libres

Optique intégrée

Dispositifs d'optique intégrés

Matériaux pour l’optique intégrée

Optique non linéaire

Optique quantique

Mélange à quatre ondes

Integrated optics

Integrated optics devices

Integrated optics materials

Nonlinear optics

Quantum optics

Four wave mixing

Résumé

La montée exponentielle du trafic de données liée au développement de l’interconnexion entre objets et personnes sur la toile nécessite de nouvelles technologies. Au cours de la dernière décennie, les peignes de fréquences optiques ont révolutionné le secteur des télécommunications, ouvrant la voie à une transmission de données à un débit de données auparavant inaccessible. Mis à part le domaine des télécommunications, les peignes de fréquences optiques ont été avantageusement exploités dans d’autres domaines comme la détection optique, la détection chimique, les horloges optiques… L'efficacité du phénomène de mélange à quatre ondes, qui sous-tend la génération des peignes de fréquences, dépend de manière significative des pertes par propagation dans les guides d’ondes optiques et, par conséquent, de la rugosité de ces derniers. De plus, l'absorption intrinsèque du matériau réduit l'efficacité des phénomènes non linéaires tout en contribuant à l’atténuation du signal lumineux dans le milieu optique de propagation. Grâce à la maturité des procédés de fabrication dits CMOS, la rugosité peut être réduite en optimisant la gravure, tandis que l’absorption peut être réduite par des traitements thermiques. L'utilisation d'un matériau CMOS permet donc une fabrication à faible coût et la co-intégration avec d’autres dispositifs optoélectroniques sur la même puce. Le nitrure de silicium sur isolant est une plateforme prometteuse pour la génération de peignes de fréquences optiques grâce à la faible absorption à deux photons dans ce matériau par rapport au silicium cristallin. Cependant, le nitrure présente une absorption dans la bande des télécommunications relié à la présence des liens moléculaires N-H. Tandis que des recuits à haute température ont été utilisés pour réduire le contenu en hydrogène du film et démontrer avec succès la génération de peignes de fréquence, ces procédés rendent la co-intégration monolithique de ces dispositifs en nitrure de silicium avec une optoélectronique à base de silicium très difficile, réduisant ainsi considérablement sa compatibilité avec les autres matériaux CMOS. Dans cette thèse, nous décrivons la conception, la fabrication et les caractérisations de circuits photoniques non-linéaires en nitrure de silicium sans recuit. En particulier, nous avons mis au point un procédé de fabrication de films de Si3N4 d'une épaisseur de 740 nm, sans utilisation de recuit et avec une maitrise de la gestion des contraintes typiquement associées à ce type de matériau pour l’optique non linéaire. Cette approche offre une compatibilité de fabrication technologique avec la photonique sur silicium. Des preuves expérimentales montrent que les micro-résonateurs utilisant de tels films de nitrure de silicium sans recuit sont capables de générer un peigne de fréquence s'étendant sur 1300-2100 nm via une oscillation paramétrique optique basée sur du mélange à quatre ondes. En allant encore plus loin, nous présentons également les travaux d’optimisation technologique portant sur des microrésonateurs en nitrure de silicium recuits avec des guides d’onde à fort confinement modal, qui nous ont permis d’atteindre des pertes de propagation record. Ces résultats ont été rendus possible grâce à une optimisation fine des étapes de gravure des guides d’onde ainsi qu’à l'utilisation de traitements thermiques-chimiques efficaces. Cette nouvelle approche nous a permis de démontrer par ailleurs des sources de peignes de fréquences intégrées sur puce utilisant des résonateurs en nitrure de silicium couplés par aboutement à un laser III-V DFB utilisé comme une pompe. Cette preuve de concept prouve la validité de notre plateforme de circuits photoniques non-linéaires en Si3N4 pour la réalisation de peignes de fréquences optiques ultra-compacts à faible consommation.

The data traffic need for ultra-high definition videos as well as for the mobile data continues to grow. Within the last decade, optical frequency combs have revolutionized the telecommunications field and paved the way for groundbreaking data transmission demonstrations at previously unattainable data rates. Beside the telecommunications field, optical frequency combs brought benefits also for many other applications such as precision spectroscopy, chemical and bio sensing, optical clocks, and quantum optics. The efficiency of the four-wave mixing phenomenon from which the optical frequency comb arises critically depends on the propagation losses and consequently on the device roughness induced by the lithography and the etching processes. In addition, the bulk material absorption reduces the efficiency of the nonlinear phenomena. By using state-of-the-art complementary metal oxide semiconductor processes, the roughness can be reduced thanks to the maturity of the manufacturing, while the material bulk absorption can be reduced by thermal treatments. In addition, using a CMOS material enables a low-cost fabrication and the co-integration with electronic devices into the same chip. Silicon-nitride-on-insulator is an attractive CMOS-compatible platform for optical frequency comb generation in the telecommunication band because of the low two-photon absorption of silicon nitride when compared with crystalline silicon. However, the as deposited silicon nitride has a hydrogen related absorption in the telecommunication band. Although high-temperature annealing has been traditionally used to reduce the hydrogen content and successfully demonstrate silicon nitride-based frequency combs, this approach made the co-integration with silicon-based optoelectronics elusive, thus reducing dramatically its effective complementary metal oxide semiconductor compatibility. In this thesis, we report on the fabrication and test of annealing-free silicon nitride nonlinear photonic circuits. In particular, we have developed a process to fabricate low-loss, annealing-free and crack–free Si3N4 740-nm-thick films for Kerr-based nonlinear photonics, featuring a full process compatibility with front-end silicon photonics. Experimental evidence shows that micro-resonators using such annealing-free silicon nitride films are able to generate a frequency comb spanning 1300-2100 nm via optical parametrical oscillation based on four-wave mixing. In addition, we present the further optimized technological process related to annealed silicon nitride optical devices using high-confinement waveguides, allowing us to achieve record-low losses. This was enabled via a carefully tailored patterning etching process and an annealing treatment particularly efficient due to the already low hydrogen content in our as-deposited silicon nitride. Such improved Si3N4 platform allowed us to demonstrate on-chip integrated Kerr frequency comb sources using silicon nitride resonators that were butt-coupled to a III-V DFB laser used as a pump source. This proof of concept proves the validity of our approach for realizing fully packaged compact optical frequency combs.