Circuits photoniques SiGe exploitant l’optique non linéaire et les effets électro-optiques dans l’infrarouge moyen

SiGe photonics circuits exploiting nonlinear optics and electro-optic effects in the mid-infrared

• Auteur / Autrice : Miguel Montesinos Ballester
• Direction : Delphine Marris-Morini, Carlos Alonso-Ramos
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies
• Date : Soutenance le 10/11/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Jacques Greffet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guy Millot, Jean Baptiste Rodriguez, Jérôme Faist
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guy Millot, Jean Baptiste Rodriguez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicium

Photonique

Dispositifs optoélectroniques

Optique non linéaire

Optique intégrée

Mots clés libres

Infrarouge moyen

Circuits photoniques intégrés

Silicium

Germanium

Mid-Infrared

Integrated photonic circuits

Silicon

Germanium

Résumé

La gamme spectrale de l'infrarouge moyen (MIR), communément définie entre 2 et 20 µm de longueur d'onde), a suscité un grand intérêt au cours des deux dernières décennies en raison de ses caractéristiques uniques pour la détection et la sécurité. En particulier, la «fingerprint region» (de 3 à 13 µm de longueur d'onde) permet une détection à haute sensibilité de la plupart des molécules, grâce à leurs modes de vibration fondamentaux qui conduisent à des lignes d'absorption spécifiques dans cette gamme spectrale. Le travail que je présente ici s'appuie sur les démonstrations précédentes de dispositifs passifs basés sur des plateformes SiGe à gradient d'indice riche en Ge pour aller plus loin dans la mise en œuvre d'un système photonique MIR complet sur puce. À cette fin, j'ai développé la conception, la modélisation, la fabrication en salle blanche et la caractérisation de trois fonctionnalités manquantes basées sur l'accord thermique, les effets non linéaires et électro-optiques, montrant un fonctionnement à large bande dans la gamme MIR. Tout d'abord, j'ai démontré des pertes de propagation inférieures à 4.6 dB/cm de 5 à 11 µm de longueur d'onde, qui sont compatibles avec la plupart des applications MIR intégrées. J'ai également confirmé les performances large bande des plateformes SiGe à gradient d'indice par la caractérisation de deux dispositifs MZI. J'ai ensuite développé une approche de spectromètre intégré basée sur une configuration hétérodyne spatiale, dans laquelle j'ai ajusté thermiquement le déséquilibre du délai de propagation d'un réseau MZI pour surmonter le compromis classique entre la résolution, la largeur de bande opérationnelle et le nombre de structures interférométriques requises. Ces résultats facilitent le développement de spectromètres compacts et robustes fonctionnant dans le MIR. Ensuite, j'ai démontré la génération de supercontinuum qui s'étend de 3 à 13 µm de longueur d'onde dans un guide d'onde SiGe graduel de 5.5 mm de long. Cette démonstration fournit une source MIR large bande et cohérente au moyen d'un seul dispositif, ouvrant ainsi des perspectives passionnantes pour la détection simultanée de plusieurs molécules. Enfin, j'ai évalué expérimentalement l'effet de la dispersion du plasma de porteurs libres dans une large gamme MIR, pour ensuite démontrer un modulateur électro-optique intégré fonctionnant de 6.4 à 10.7 µm de longueur d'onde et montrant jusqu'à 1.3 dB de rapport d'extinction en régime d'injection de courant et 225 MHz de bande passante de modulation en déplétion de porteuse. Ce dispositif est essentiel pour mettre en œuvre la détection synchrone et ainsi améliorer significativement la sensibilité des systèmes de détection intégrés. En conclusion, cette thèse a abordé avec succès le développement de guides d'ondes intégrés et de trois fonctionnalités associées manquantes dans la littérature opérant dans une large bande spectrale MIR. Par conséquent, ce travail ouvre des perspectives excitantes dans une grande gamme d'applications à fort impact, et ouvre la voie au développement à long terme de systèmes de capteurs multimoléculaires compacts.

The mid-infrared (MIR) spectral range, commonly defined from 2 to 20 µm wavelengths, has attracted a great interest over the past two decades due to its unique characteristics for detection and security purposes. In particular, the fingerprint region (from 3 to 13 µm wavelength) allows high sensitivity detection of most of molecules due to fundamental molecular vibrational modes that lead to specific absorption lines in this spectral range. The work I present here leverages on previous passive devices demonstrations based on Ge-rich graded-index SiGe platforms to go a step further towards the implementation of a complete on-chip MIR photonics system. To that end, I address the design, modeling, cleanroom fabrication and characterization of three missing functionalities based on thermal-tuning, nonlinear and electro-optic effects, showing a broadband operation in the MIR range. First, I demonstrated propagation losses lower than 4.6 dB/cm from 5 to 11 µm wavelength, which are compatible with most integrated MIR applications. I also confirmed the broadband performance of graded-index SiGe platforms by the characterization of two MZI devices. Then, I discussed an integrated spectrometer approach based on a spatial heterodyne configuration, in which I thermally tuned the path delay imbalance of a MZI array to overcome the classical trade-off between resolution, operational bandwidth, and number of interferometric structures required. These results facilitate the development of compact and robust spectrometers operating in the MIR fingerprint region. Next, I demonstrated a supercontinuum generation that spans from 3 to 13 µm wavelength in a 5.5 mm long graded SiGe waveguide. This demonstration provides a broadband and coherent MIR light by mean of a single device, opening exciting perspectives for the simultaneous detection of multiple molecules. Finally, I experimentally evaluated the effect of free-carrier plasma dispersion in a wide MIR range, to later demonstrate an integrated electro-optical modulator operating from 6.4 to 10.7 µm wavelength and showing up to 1.3 dB extinction ratio in current injection regime and 225 MHz modulation bandwidth in carrier depletion. This device is essential to implement synchronous detection and thus significantly improve the sensitivity of integrated detection systems. In conclusion, this thesis has successfully addressed the development of integrated waveguides and three associated functionalities missing in the literature operating in a wide MIR spectral band. Therefore, this work opens exciting prospects in a plethora of high-impact applications, paving the way towards the long-term development of compact multi-molecular sensor systems.