Nanostructures photoniques en silicium sub-longueur d'onde pour des applications dans l'infrarouge proche et moyen

Subwavelength silicon photonic nanostructures for applications in the near-IR and mid-IR

• Auteur / Autrice : Thi Thuy Duong Dinh
• Direction : Carlos Alonso-Ramos
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies
• Date : Soutenance le 21/07/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• 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 : Philippe Delaye
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Émilien Peytavit, Gonzalo Wangüemert-Pérez
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Émilien Peytavit, Gonzalo Wangüemert-Pérez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanostructures

Spectroscopie infrarouge proche

Optique intégrée

Optique non linéaire

Silicium

Photonique

Mots clés libres

Infrarouge moyen

Photonique au silicium

Sublongueur d'onde

Infrarouge proche

Nanostructures

Mid-infrared

Silicon photonics

Subwavelength

Near-infrared

Nanostructures

Résumé

La photonique au silicium est prometteuse pour la production à grande échelle et à faible coût de circuits optoélectroniques de haute performance. Grâce à l'impressionnant développement technologique de ces dernières années, la photonique au silicium élargit ses frontières vers de nouvelles applications au-delà des communications de données, y compris, entre autres, la détection, la radio sur fibre et la quantique. Afin de répondre aux exigences de ces nouvelles applications, la communauté de la photonique au silicium explore de nouvelles gammes de longueurs d'onde et de nouveaux phénomènes physiques, avec un intérêt particulier pour l'infrarouge moyen (longueur d'onde de 2 à 20 µm) et les non-linéarités Kerr. L'application de motifs sur le Si avec des caractéristiques inférieures à la moitié de la longueur d'onde s'est avérée être un outil simple et puissant pour surmonter les limites de performance des dispositifs photoniques au silicium conventionnels. Cette thèse est consacrée à l'utilisation de l'ingénierie des sous-longueurs d'onde du silicium pour développer de nouveaux dispositifs et circuits pour les applications de spectroscopie dans l'infrarouge proche et moyen et la génération de supercontinuum exploitant les non-linéarités Kerr. Les principaux résultats obtenus dans le cadre de cette thèse sont les suivants : i) première démonstration de l'avantage de Jaquinot avec un spectromètre intégré à transformée de Fourier fabriqué en photonique de silicium, ii) démonstration d'un spectromètre à transformée de Fourier en silicium pour une longueur d'onde proche de 5,5 µm, la plus longue rapportée pour le silicium, et iii) génération de supercontinuum s'étendant sur 2,35 octaves, entre deux longueurs d'onde de 1,55 µm et 7,5 µm. Il s'agit, à notre connaissance, de la plus large génération de supercontinuum dans le silicium.

Silicon photonics holds the promise for large-scale and low-cost production of high-performance optoelectronic circuits. Driven by the impressive technology development in the recent years, silicon photonics is expanding its frontiers towards new applications beyond datacom, including among others, sensing, radio-over-fiber and quantum. Aiming to meet the requirements of these new applications, the Si photonics community is exploring alternative wavelength ranges and physical phenomena, with a particular interest in the mid-infrared (2-20 µm wavelength), and Kerr nonlinearities. Patterning Si with features smaller than half of the wavelength has proven to be a simple and powerful tool to overcome performance limitations of conventional silicon photonic devices. This PhD is devoted to the use of Si subwavelength engineering to develop novel devices and circuits for spectroscopy applications in the near-IR and mid-IR and supercontinuum generation exploiting Kerr nonlinearities. The main results obtained in this PhD include: i) first demonstration of Jaquinot's advantage with integrated Fourier transform spectrometer made in silicon photonics, ii) demonstration of silicon Fourier transform spectrometer for wavelength near 5.5 µm, the longest reported for silicon, and iii) supercontinuum generation expanding 2.35 octaves, between two 1.55 µm and 7.5 µm wavelength. This is, to the best of our knowledge, the widest supercontinuum generation in silicon.