Cristaux photoniques bidimensionnels en SOI et leur couplage avec un miroir de Bragg

par Antoine Salomon

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Noël Magnéa.

Soutenue en 2007

à l'Université Joseph Fourier (Grenoble) .


  • Résumé

    Similar to eletronic crystals, photonic crystals are rnaterials whose dielectric is modulated. Just like in electronic,where the periodical variation of the potential structures the electrons' energies dispersion, this modulation of the optical index structures the photons' energies dispersion. It is then possible to control light by forbidding certain energies, band or space directions. Ln addition, because of their high integration and their compatibility with conventional C-MOS type technologies, Silicon On Insulator (SOI) photonics crystals possesses a strong potential for the development of future electro-photonic chips. Ln this context, the object of this thesis woks was the study of SOI photonic crystals light sources and especially the coupling between two dimensional photonic crystal light sources and a Bragg mirror. Ln a first part, this work focuses on the theoretical and technological aspects of photonic crystals. We describe the physical principles, especially the band structure, of photonic crystals in order to exhibit the way they operate and their properties. Then we present the technological fabrication as well as optical characterization tools. Ln a second part, we report on the coupling between radiatives desexcitations and photonic crystals' optical modes. We demonstrate that by coupling to slow group velocity modes or cavity modes, an optical source at 1. 1[Mu]m can be achieved. The results obtained are in agreements with calculated band diagrams. Finally we investigate the coupling between a Bragg mirror and a two dimensional photonic crystal. More precisely, we study the impact of the coupling distance on light extraction and the quality factor (Q). We show that these two quantities are periodical functions of [Lambda]/2 of it. We also exhibit that, according to the coupling distance, it is possible to enhance light extraction and the Q, compared to the characteristics of the single crystal. At last we present the first realization of a device coupling a two dimensional photonic crystal and two Bragg mirrors.


  • Résumé

    Analogues aux cristaux électroniques, les cristaux photoniques sont des matériaux diélectriques dont l'indice optique est modulé. Comme en électronique, où la variation périodique du potentiel structure la dispersion énergétique des électrons, cette modulation de 'l'indice structure la dispersion en énergie des photons. Il est alors possible de contrôler ces demiers en leurs interdisant des bandes de fréquences et certaines directions. De plus, de part leur forte intégration ainsi que leur compatibilité de fabrication avec la filière silicium, les Cristaux photonique en Silicium sur Isolant (SOI), disposent d'un fort potentiel pour la mise au point d'une future électro-photonique intégré sur silicium. Dans ce contexte, ce travail s'attache à l'étude de sources optiques à cristaux photoniques en SOI et plus particulièrement au couplage entre une source à cristal photonique bidimensionnel et un miroir de Bragg. Dans un premier temps nous nous intéressons aux aspects théoriques et technologiques des cristaux photoniques. Nous abordons les principes physiques de la structure de bande photonique afin de cerner les modes de fonctionnement ainsi que les propriétés des cristaux photoniques pour ensuite décrire ,les moyens de fabrication et de caractérisation optique. Dans un deuxième temps nous nous attaquons à l'étude de cristaux photoniques bidimensionnels pour l'extraction de lumière. Au cours de cette étape nous mettons en évidence que le couplage de désexcitations radiatives avec de modes optiques de cristaux photoniques permet de nettement améliorer l'extraction lumineuse. En exploitant des modes de cavités, des modes lents et une combinaison astucieuse des deux, nous présentons la mise au point de sources optiques à 1. 1 [Mu]m. Ces résultats concordent avec les calculs par la, méthode des ondes planes des diagrammes de bande correspondant. Enfin nous étudions le couplage entre cristaux photoniques bidimensionnels et miroir de Bragg. Nous nous intéressons spécialement au rôle de la distance de couplage entre le miroir et le cristal sur les propriétés d'extraction et du facteur de qualité (Q). Après avoir développé un montage original permettant de moduler cette distance sur quelques micromètres, nous montrons que les deux quantités précédentes en sont des fonctions périodiques de période [Lambda]/2. Les résultats obtenus montrent aussi une augmentation de l'extraction lumineuse et du Q par rapport à ceux de cristal seul. Ces mesures expérimentales sont en adéquation avec de calculs FDTD bidimensionnel. Nous terminons cette étude par la présentation de premières structures associant un cristal photonique avec deux miroirs de Bragg.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (iv-154 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 143-154; publications de l'auteur

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  • Bibliothèque : Service interétablissements de Documentation (Saint-Martin d'Hères, Isère). Bibliothèque universitaire de Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : TS07/GRE1/0018/D
  • Bibliothèque : Service interétablissements de Documentation (Saint-Martin d'Hères, Isère). Bibliothèque universitaire de Sciences.
  • Disponible sous forme de reproduction pour le PEB
  • Cote : TS07/GRE1/0018
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