Cristaux photoniques à gradient sur plate-forme SOI pour des applications dans le proche infrarouge

Graded photonics crystals on SOI platform for near-infrared applications

• Auteur / Autrice : Quan Yue
• Direction : Éric Akmansoy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies
• Date : Soutenance le 07/12/2022
• 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 : Éric Lheurette
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ségolène Callard, Emmanuel Centeno, Olivier Gauthier-Lafaye
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ségolène Callard, Emmanuel Centeno

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique intégrée

Silicium -- Couches minces

Nanotechnologie

Cristaux photoniques

Mots clés libres

Cristal photonique à gradient (GPC)

Nanotechnologie

Photonique sur silicium

Proche infrarouge

Graded Photonic Crystals (GPC)

Nanotechnology

Silicon Photonics

Near-Infrared

Résumé

D'une part, les cristaux photoniques à gradient permettent de contrôler la propagation du champ électromagnétique grâce à la courbure de leur structure de bandes, ce que nous avons vérifié en démontrant un 'mirage photonique'. D'autre part, l'optique à gradient d'indice connaît un renouveau parce qu'elle offre de nouvelles possibilités pour la conception optique, notamment elle permet de miniaturiser les systèmes optiques. Les nanotechnologies permettent de fabriquer efficacement des cristaux photoniques ; nous les mettrons en œuvre pour fabriquer des cristaux photoniques à gradient. L'objectif principal de ce sujet de doctorat est d'explorer les cristaux photoniques à gradient et les optiques à gradient d'indice connexes dans le domaine du proche infrarouge pour des applications sur des plates-formes de silicium sur isolant (SOI). Les cristaux photoniques à gradient dans la bande des micro-ondes ont été étudiés par les précédents doctorants de notre groupe. Ce travail tente ensuite d'étendre l'application au domaine du proche infrarouge. Selon la théorie de l'électromagnétisme sub-longueur d'onde, la taille du dispositif doit être du même ordre de grandeur que la longueur d'onde de fonctionnement. Ainsi, contrairement au domaine précédent des micro-ondes, un grand défi dans le domaine du NIR est la fabrication et la caractérisation des dispositifs correspondants. Une partie importante de ce travail se concentre sur le processus de fabrication et de caractérisation des cristaux photoniques à gradient dans le domaine du proche infrarouge. Nous nous concentrons sur la technologie de nanofabrication ainsi que sur la caractérisation du SNOM. Le SOI a été choisi comme plateforme de traitement pour ce travail, compte tenu de la bonne compatibilité de la plateforme à base de silicium avec les dispositifs photoniques et de sa capacité à bien s'intégrer aux techniques de nanofabrication. De plus, un autre aspect mis en avant dans ce travail est d'explorer l'effet de la variation des paramètres du cristal photonique sur son indice de réfraction effectif. Ainsi, le cas des fréquences normalisées dans différentes bandes d'énergie de cristaux photoniques est également une direction d'investigation. Nous tentons de manipuler l'indice de réfraction effectif (voire l'indice de réfraction négatif) des cristaux photoniques en modifiant leurs paramètres. La démonstration expérimentale d'une lentille en cristal photonique à gradient d'indice de réfraction négatif et de dispositifs en cristal photonique à gradient connexes sera mise en évidence. En résumé, nous avons conçu, fabriqué et caractérisé une lentille à gradient de cristaux photoniques dans le domaine du proche infrarouge.

On the one hand, Graded Photonic Crystals (GPC) allow to efficiently control the flow of light thanks to the shape of their photonic bands, which we verified by demonstrating a “photonic mirage” at wavelength scale. On the other hand, GRaded INdex (GRIN) optics is undergoing a renewal because it allows downsizing optical systems, opening a new way to optical design. But GRIN optics was limited by a lack of easy to implement fabrication techniques. Nanotechnology enables to efficiently fabricate photonic crystals, which we will implement to fabricate GPC for GRIN optics. The main purpose of this Ph.D. topic is to explore graded photonic crystals and related gradient index optics in the near-infrared domain for applications on Silicon On Insulator (SOI) platforms. Gradient photonic crystals in the microwave band have been investigated by previous Ph.D. students in our group. This work then attempts to extend the application to the near-infrared field. According to the theory of subwavelength electromagnetism, the size of the device should be of the same order of magnitude as the operating wavelength. Thus, unlike the previous microwave field, a big challenge in the NIR field is the fabrication and characterization of the corresponding devices. A significant part of this work is focused on the fabrication and characterization process of gradient photonic crystals in the NIR field. We focus on nano-fabrication technology as well as SNOM characterization. SOI was chosen as the processing platform for this work, considering the good compatibility of the silicon-based platform with photonic devices and its ability to integrate well with nanofabrication techniques. In addition, another emphasized aspect of this work is to explore the effect of the variation of the photonic crystal parameters on its effective refractive index. Thus, the case of normalized frequencies in different photonic crystal energy bands is also a direction of the investigation. We attempt to manipulate the effective refractive index (even negative refractive index) of photonic crystals by changing their parameters. Experimental demonstration of negative refractive index gradient photonic crystal lens and related gradient photonic crystal devices will be highlighted. In summary, we have designed, fabricated and characterized gradient photonic crystal lens in the near-infrared domain.