Etude de micro-disques de carbure de silicium sur substrat de silicium, vers une application d’optique non-linéaire intégrée du proche au moyen infrarouge

par David Allioux

Thèse de doctorat en Electronique, micro et nano-electronique, optique et laser

Sous la direction de Régis Orobtchouk.

Soutenue le 21-06-2018

à Lyon , dans le cadre de École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon) , en partenariat avec Institut national des sciences appliquées de Lyon (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) , INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon, UMR5270 (Rhône) (laboratoire) et de Institut des Nanotechnologies de Lyon / INL (laboratoire) .

Le président du jury était Ségolène Callard.

Le jury était composé de Régis Orobtchouk, Ségolène Callard, Olivier Gauthier-Lafaye, Delphine Marris-Morini, Jean-Emmanuel Broquin, Christian Grillet.

Les rapporteurs étaient Olivier Gauthier-Lafaye, Delphine Marris-Morini.


  • Résumé

    Cette thèse étudie la conception, la fabrication et la caractérisation de micro-disques de carbure de silicium sur substrat de silicium conçus pour opérer du proche au moyen infrarouge. Nous étudions une approche simple mais efficace permettant de supprimer les modes de galerie d'ordre supérieur tout en préservant le facteur de qualité du mode fondamental. Cette suppression, utile par exemple pour la génération de peignes de fréquence se base simplement sur la sous-gravure du pilier de silicium et est aisément transposable à d'autres plateformes ou longueurs d'onde. Le premier chapitre est une introduction générale aux micro-résonateurs à modes de galerie dans lequel nous décrivons la physique extrêmement riche de ces structures. Le deuxième chapitre se concentre sur les micro-disques de SiC à proprement parler. Nous commençons par une introduction générale du matériau puis nous simulons la propagation de la lumière dans les résonateurs pour concevoir des structures innovantes. En utilisant l'indice de réfraction optique supérieur du Si à celui du SiC, nous montrons qu'il est possible de supprimer les modes radiaux d'ordre supérieur. Nous traitons ensuite brièvement des étapes de fabrication. Le troisième chapitre regroupe les expériences réalisées sur les micro-disques. Des premières caractérisations par couplage évanescent dans le proche infrarouge permettent d'identifier les modes de galerie du résonateur. Ensuite, des caractérisations sur des disques de sous-gravure inférieure mettent en évidence la suppression des modes d'ordre supérieur. Nous réalisons enfin une étude thermo-optique du matériau afin de valider son emploi à forte puissance et haute température, des régimes dans lesquels le SiC se démarque des autres matériaux d'optique intégrée. Pour terminer, nous consacrons le dernier chapitre aux perspectives pour l'optique non-linéaire et le moyen infrarouge où nous proposons une étude de l’ingénierie de la dispersion qui doit nous permettre, à l’avenir, de réaliser des sources de type peigne de fréquence.

  • Titre traduit

    Silicon carbide on top of silicon substrate, towards non-linear integrated photonics application from the near to the mid-infrared


  • Résumé

    This Ph.D. thesis studies the design, fabrication and characterization of silicon carbide micro-disks on top of silicon designed to operate from the near to the mid-IR. We study a simple but efficient approach leading to the suppression of higher order whispering gallery modes while preserving the fundamental mode's quality factor. This suppression, typically useful for frequency comb generation is simply based of the silicon pillar under etching and can be easily transferred to other material platforms and wavelengths. The first chapter is a general introduction of whispering gallery mode micro-resonator in which we describe the extremely complex and diverse physics of these structures. The second chapter is focused on SiC micro-disks themselves. We begin with a general introduction of the material to continue by simulating light propagation inside these resonators to be able to design innovative structures. Using the higher optical refractive index of silicon compared to the one of silicon carbide, we demonstrate that it is possible to suppress higher radial modes. We then briefly describe the fabrication processes. The third chapter gather the experimental studies lead on the micro-disks. First characterizations by evanescent coupling in the near infrared enable us to identify the whispering gallery modes inside the resonator. Characterization on micro-disks with smaller under-etching then enables us to demonstrate the higher suppression. We finally lead a thermo-optic study of the material to validate its compatibility to high power and high temperature regimes in which SiC stand out from other integrated optics materials. Finally, the last chapter is dedicated to non-linear optics and mid-infrared perspectives. We propose a dispersion study that, we hope, should enable the generation of Kerr frequency combs sources in a near future.


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