CALAM : Cavités actives laser à autocollimation mésoscopique

Self-collimation Active Laser Cavities

• Auteur / Autrice : Sergio Iván Flores Esparza
• Direction : Antoine Monmayrant, Olivier Gauthier-Lafaye
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Photonique et Systèmes Optoélectronique
• Date : Soutenance le 31/01/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Arnaud Arbouet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Antoine Monmayrant, Olivier Gauthier-Lafaye, Nadia Belabas
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fadi Issam Baida, Antoine Moreau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes mésoscopiques

Composés semiconducteurs

Cristaux photoniques

Mots clés libres

Cristaux photoniques

Cavités lasers

Fabrication salle blanche

Semiconducteurs III-V

Autocollimation mésoscopique

Photonic crystals

Laser cavities

Clean room fabrication

III-V semiconductors

Mesoscopic self-collimation

Résumé

Les cristaux photoniques sont des structures périodiques qui présentent des propriétés dispersives remarquables. Elles permettent de manipuler, filtrer, guider et façonner la lumière à l'échelle de la longueur d'onde, ouvrant la voie à l'ingénierie photonique sur puce, hybride ou intégrée. Depuis les années 1990, les efforts de recherche se focalisent sur l'exploitation des ouvertures de bandes interdites dans les composants à défauts, pour guider et confiner la lumière. En 1999 de nouveaux effets ont été mis en évidence, reposant entièrement sur les propriétés dispersives des cristaux photoniques, permettant la conception des multiplexeurs optiques et des filtres ultra-sélectifs et des guides à autocollimation. L'autocollimation exploite les propriétés dispersives du cristal pour contenir l'étalement transverse d'un faisceau et assurer une propagation "auto-guidée". Ceci se produit en absence de diaphonie (ou "cross-talking") entre deux faisceaux se propageant dans le cristal, ce qui permet de concevoir des interconnections photoniques multi-canaux. Ce guidage se produit en tout point du milieu, il n'est pas nécessaire de superposer un faisceau incident avec un défaut ou un guide à contraste d'indice, ce qui exige des alignements précis avec des tolérances submicroniques. Cependant, les cristaux photoniques présentent des pertes planaires aux interfaces, ce qui complique l'injection et l'extraction de lumière et le fort facteur de remplissage en air du milieu ne permet pas de combiner l'autocollimation à d'autres phénomènes tel que l'effet laser. A partir de l'année 2012 un nouvel effet a été mis en avance : l'autocollimation mésoscopique (MSC), qui permet de guider la lumière dans un milieu alternant cristal photonique et matériau homogène haut indice et d'améliorer drastiquement l'injection et l'extraction de lumière. Ce phénomène a lieu suivant des direction arbitraires et parfois sous le cône de lumière. Dans les cavités lasers à MSC le milieu homogène agit en tant que milieu actif, on obtient donc une émission laser "auto-guidé" ; puis, en jouant avec la taille de chaque milieu, il est possible de concevoir des miroirs plans à haute acceptance angulaire. Nous obtenons donc des cavités Fabry-Pérot ultracompactes. Cette thèse s'inscrit sur la suite des recherches sur ces cavités laser et cherche à produire la première démonstration expérimentale. Nous développons un modèle de conception paramétrique, à très faible coût numérique, pour concevoir des structures MSC dans des directions arbitraires. Pour cela nous établissons une équation d'autocollimation généralisée et établissons dès le départ ses conditions de validité, tout en minimisant les pertes optiques planaires et hors du plan. Nous introduisons également une métrique qui permet de comparer la qualité de l'autocollimation entre différentes structures. Dans un deuxième temps, nous nous intéressons au développement d'un procédé de fabrication membranaire, dans la filière III-V, qui préserve le milieu actif et qui minimise les pertes optiques provenant des défauts de fabrication.[...]

Photonic crystals are periodic structures that exhibit remarkable dispersive properties. They make it possible to manipulate, filter, guide, and shape light at the wavelength scale, paving the way for on-chip, hybrid, or integrated photonic engineering. Since the 1990s, research efforts have focused on exploiting bandgap openings in defect guides components to guide and confine light. In 1999 new effects were highlighted, based entirely on the dispersive properties of photonic crystals, allowing the design of optical multiplexers, ultra-selective filters, and self- collimation guides. Self-collimation exploits the dispersive properties of the crystal, to contain the transverse spread of a beam and ensures "self-guided" propagation. This occurs in the absence of cross-talking between two beams propagating in the crystal, which makes it possible to design multi-channel photonic interconnections. This guiding occurs at any point in the crystal, it is not necessary to superimpose an incident beam with a defect or an index contrast guide, which requires precise alignments with submicron tolerances. However, photonic crystals show planar losses at interfaces, which complicates the injection and extraction of light, and the high air filling factor of the medium does not allow to combine self-collimation with other phenomena such as laser effect. From the year 2012 a new effect has been put forward: mesoscopic self-collimation (MSC), which makes it possible to guide light in a medium alternating photonic crystal and homogeneous high index material, and to drastically improve the injection and extraction of light. This phenomenon can take place in arbitrary direction and under the light cone. In MSC laser cavities the homogeneous medium acts as an active medium, so a "self-guided" laser emission is obtained; then, by playing with the size of each medium, it is possible to design flat mirrors with high angular acceptance. We can obtain ultra-compact Fabry-Perot cavities. This thesis is part of the continuation of the research on these laser cavities and seeks to produce its first experimental demonstration. The laser effect is possible when the gain of the active medium compensates for optical losses. We seek to minimize optical losses and increase the gain of the homogeneous medium. We developpe a parametric design model, with very low numerical cost, to design MSC structures in arbitrary directions, while minimizing planar and out-of-plane optical losses. Then, by ensuring lossless energy propagation, MSC conditions are simple to achieve. In a second step, we are interested in the development of a membrane manufacturing process, in the III-V sector, which preserves the active environment and minimizes optical losses from manufacturing defects. Our starting point is a manufacturing process developed in 2011 that has significant limitations. Some steps in this process are incompatible with MOS technologies and therefore limit their use for integrated circuits. Other steps introduce defects that can create non-radiative recombination sites that increase optical loss. The various steps had to be improved or redesigned and the entire process also had to be adapted to the new machines present in the clean room, which have never been tested for the manufacture of photonic crystals.