Etude de composants à cristaux photoniques dans la filière silicium pour les longueurs d'ondes des télécommunications optiques

par Sylvain David

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jean-Michel Lourtioz.

Soutenue en 0200

à Paris 11 .


  • Résumé

    Les cristaux photoniques sont des structures artificielles dont la constante diélectrique est rendue périodique. La propriété essentielle de ces structures est l'ouverture de bandes interdites photoniques pour lesquelles la propagation de la lumière n'est pas autorisée. Une bande interdite complète s'obtient selon certaines conditions portant sur le contraste d'indice, les dimensions et les symétries des réseaux. Ce travail de thèse est essentiellement consacré à l'étude et la réalisation de cristaux photoniques bidimensionnels à base de silicium pour les longueurs d'onde 1,3 - 1,55 [mu]m. Les dispositifs à cristaux photoniques planaires sont confinés par une variation d'indice dans la troisième direction. Deux approches sont envisagées : le fort confinement pour les microcavités et le faible confinement pour l'optique guidée. Nous avons réalisé des microcavités planaires à cristaux photoniques sur substrat SOI (silicium sur isolant) intégrant des boîtes quantiques Ge/Si. Nous avons montré une forte exaltation de la luminescence dans la gamme 1,3 - 1,55[mu]m, caractérisée par un comportement surlinéaire de l'émission. Cette forte augmentation est à la fois le résultat de l'extraction de la lumière par le cristal photonique, mais également la signature d'une forte localisation spatiale des porteurs de charge dans la microcavité. Nous avons également travaillé sur la réalisation de guide d'onde à cristaux photoniques de faible confinement vertical pour le guidage planaire, en utilisant deux technologies : la gravure photo-électrochimique et la gravure plasma ICP (Inductively Coupled Plasma). Nous avons montré la possibilité de réaliser des structures à cristal photonique à travers des guides épais SiGe (2 [mu]m) enterrés dans le silicium. Nous avons également modélisé de nouveaux cristaux photoniques tels que les pavages d'Archimède ou les approximants de quasi-cristaux dans le but d'obtenir le comportement le plus isotrope possible.


  • Résumé

    Photonic crystals are structures with a periodic dielectric constant. The main properties of these structures are the opening of photonic band gaps for which light propagation is not allowed. A full photonic band gap depends on several conditions such as the refractive index contrast, the sizes and symetries of the lattices. This thesis reports on the study and fabrication of silicon-based 2D photonic crystal devices operating at the wavelengths of 1. 3 - 1. 55 µm. Planar photonic crystals are confined by a refractive index variation in the third direction. Two types of confinement are considered: a high confinement for microcavities and a weak confinement for waveguides. We have studied planar photonic crystal microcavities fabricated on silicon-on-insulator substrates and incorporating Ge/Si self-assembled islands. We have shown a strong enhancement of the photoluminescence for the wavelengths between 1. 3 - 1. 55 [mu]m, with a superlinear behavior of the emission with the pump excitation. This strong increase of the photoluminescence is due both to the light diffraction induced by the photonic crystal and a strong spatial localization of carriers in the microcavity. The fabrication of photonic crystal waveguides with a weak vertical confinement for planar waveguiding was achieved by using two technologies : the photo-electrochemical etching and the TCP (Inductively Coupled Plasma) etching. We have shown the possibility of fabricating photonic crystal structures in thick SiGe layers (2 [mu]m) buried in silicon. We have also modelised novel photonic crystals such as Archimedean tilings or quasi-crystals approximates in order to obtain the most isotropic behavior. The band structures of a novel class of photonic crystals characterized by photonic band gaps and an isotropic behavior were simulated and analysed.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (168 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Notes bibliogr.

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université Paris-Sud (Orsay, Essonne). Service Commun de la Documentation. Section Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : M/Wg ORSA(2003)24
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