Dispositifs électrooptique assistés plasmon en silicium

par Siddhath Nambiar

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Marc Sanquer.

Soutenue le 20-12-2012

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'Electronique, de Technologie et d'Instrumentation (équipe de recherche) .

Le président du jury était Kuntheak Kheng.

Le jury était composé de Marc Sanquer, Laurent Vivien, Roch Espiau de lamaestre.

Les rapporteurs étaient Renaud Bachelot, Alexandre Bouhelier.


  • Résumé

    Bien que les propriétés optiques des métaux nanostructurés soit connues depuis de nombreuses décennies, ce n'est que dans les dernières années que ce domaine a suscité un grand intérêt. Ceci est en partie dû aux nombreux progrès des techniques de nanofabrication. Le domaine de la plasmonique est souvent présentée comme la support de la prochaine génération de dispositifs de traitement de l'information, mélageant la nanoélectronique et la photonique silicium pour obtenir des disposotifs plus performants. Les systèmes microélectroniques actuels approchant de la saturation en terme de bande passante et de consomation énergétique, la migration vers les systèmes photoniques semble inévitable. La prédiction de la réponse électromagnétique de ces composants nano-photoniques est essentiels au succès de leur intégration réaliste. Les outils numériques de simulation électromagnétiques sont le moyen par excellence de calculer précisement er de manière réaliste les propriétés optiques de composants nanophotoniques, et en particulier ceux utilisant des plasmons de surface. Ce travail de thèse rend compte de l'analyse numérique de la propagation et des caractéristiques de champ proche de composants à base de plasmons pour la photonique en technologie CMOS. Les deux principaux outils de modélisation EM utilisés à cet égard sont la méthode des éléments des moments, ainsi que la FDTD. Deux types principaux de dispositifs actifs plasmoniques actifs ont été étudiés: d'une part les modulateurs électro-optiques intégrés et d'autre part des détecteurs à base de quantum dot de Ge, le tout dans la gamme du proche infrarouge. La question cruciale d'un couplage efficace de la lumière dans un mode très confiné plasmonique a d'abord été étudiée de manière à isoler la part modale des principales contributions. Ensuite, une nouvelle structure de modulateur assisté plasmon a été proposée et une conception optique complète prenant en compte les contraintes technologiques d'une fonderie CMOS est proposée et discutée. Enfin une conception optimisée du couplage radiatif de l'absorption d'un point de Ge, en utilisant une antenne dipolaire plasmonique, est étudiée. En particulier, l'ingénierie radiative du substrat SOI permet de démontrer un effet considérable sur la performance finale du dispositif.

  • Titre traduit

    Plasmons assisted Si electro-optical devices


  • Résumé

    Interest in the field of plasmonics has been primarily driven by the need to guide and confine light in the subwavelength scale. The past few years has witnessed a huge interest in this field largely due to the may advances that have occured in nanofabrication techniques. The field of plasmonics is often touted as the next generation platform that could interface nanoscale electronics and Si photonics. With current electronic systems nearing saturation, the migration to photonic systems would become inevitable. Crucial to achieving this integration is to design reliable plasmonic components within nanophotonics circuits. This however requires an accurate estimation of the electromagnetic response of these components. Numerical modeling tools are one way to gauge this response. By and large the thesis deals with numerically analysing the propagation and near field characteristics of plasmon based components for Si photonics. The two principal EM modelling tools used in this regard are the boundary element method as well as the finite difference time domain.Two main kind of active plasmonic active devices were investigated: integrated modulators, and free space radiation photodetectors. The critical issue of an efficient coupling of light into a very confined guided plasmonic mode was first investigated so as to isolate the main modal governing contributions. Next, a new structure of plasmon assisted modulator was proposed and a complete optical design taking into the technological constraints of a CMOS foundry is provided and discussed. Finally a design optimizing the radiative coupling to the absorption of a Ge dot, using a plasmonic dipolar antenna, is studied. In particular the radiative engineering of the supporting SOI substrate is shown to have a tremendous


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