Capteurs optiques intégrés basés sur des lasers à semiconducteur et des résonateurs en anneaux interrogés en intensité

Integrated optical sensors based on semiconductor lasers and ring resonators using intensity interrogation

• Auteur / Autrice : Jinyan Song
• Direction : Qingli Kou, Jian-Jun He
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 14/12/2012
• Etablissement(s) : Paris 11 en cotutelle avec Zhejiang University (Hangzhou, Chine)
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 1998-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences moléculaires d'Orsay (2010-....) - Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (Marcoussis, Essonne ; 1984-2016) - State key laboratory of modern optical instrumentation (Hangzhou, Chine)
• Jury : Président / Présidente : Niko Hildebrandt
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Qingli Kou, Jian-Jun He, Niko Hildebrandt, Guang-Hua Duan, Sara Ducci, Sophie Bouchoule
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guang-Hua Duan, Sara Ducci

Mots clés

Mots clés contrôlés

Intégration sur tranche entière (circuits intégrés)

Semiconducteurs à l'arséniure de gallium

Capteurs optiques

Mots clés libres

Capteurs

Laser FP

Résonateur en anneau

Oxydation humide

Super-réseau

Laser mode TM

Sensor

FP laser

Ring resonator

Wet oxidation

Superlattice

TM mode laser

Résumé

Ce travail de thèse porte sur la conception et la réalisation de capteurs optiques ultracompacts et sensibles utilisant le mode d’interrogation en intensité pour la détection d’analytes chimiques et biologiques. Deux approches, l’intégration hybride et l’intégration monolithique, ont été explorées durant cette thèse. Après un descriptif des outils d’analyse et de conception de guides d’onde et de micro résonateurs en anneaux, le manuscrit présente l’intégration hybride d’un laser Fabry-Perot en semiconducteur III-V avec un résonateur en anneau basé sur du matériau SOI. Le laser Fabry-Perot à faible coût fonctionnant en multimode longitudinal a été utilisé comme peigne de référence pour le résonateur en anneau en contact avec un échantillon liquide. L’effet Vernier a été implanté dans le système de détection en utilisant le mode d’interrogation en intensité. La largeur spectrale étroite du laser avec sa densité de puissance élevée ont permis d’obtenir un capteur de plus haute sensitivité en comparaison avec le capteur en double anneaux réalisé précédemment. Une étude numérique d’un capteur composé d’un laser Fabry-Perot et deux résonateurs en anneaux permettant de compenser la fluctuation de température a été ensuite présentée. Concernant l'intégration monolithique, l'interface entre oxyde et non-oxyde après l’oxydation de AlGaAs a été étudiée au Central de Technologies du LPN/CNRS. Un phénomène d’oxydation verticale de GaAs ou AlGaAs avec une faible teneur en aluminium activée par une couche voisine oxydée de AlGaAs avec une forte teneur en aluminium a été identifié expérimentalement. Afin de limiter l’oxydation verticale et de réduire la rugosité des interfaces, des guides d’onde basés respectivement sur une structure intégrant un super-réseau et sur une structure standard ont été fabriqués et caractérisés. L’impact de l'hydrogène sur l'activation du processus d'oxydation de GaAs ou AlGaAs avec une faible teneur en Al a été mis en évidence. Enfin, ce manuscrit décrit la réalisation et la caractérisation d’un laser Fabry-Perot fonctionnant en mode TM. Ce laser constitue une brique important vers l’intégration monolithique d’un capteur extrêmement sensible.

The objective of the thesis is to realize the integrated optical sensors with high sensitivity using intensity interrogation method for chemical and biological analyte detection. For this purpose, two approaches, hybrid integration and monolithic integration, have been explored theoretically and experimentally during this thesis. After a review of the design and analysis tools of optical waveguide and micro-ring resonators, the manuscript reports an experimental demonstration of a highly-sensitive intensity-interrogated optical sensor based on cascaded III-V semiconductor Fabry-Perot laser and silicon-on-insulator ring resonator. The low-cost easy-to-fabricate Fabry-Perot laser serves as a reference comb for the sensing ring in contact with liquid sample. The Vernier effet has been exploited in the detection scheme using intensity interrogation mode. The sharp emission peaks of the FP laser with high spectral power density result in a high sensitivity for the sensor compared to previously investigated all-passive double-ring sensor. The temperature compensation method has also been investigated numerically to improve the performance of the sensor. Concerning the potential monolithic integration of laser and sensing waveguide, the interface between oxide and non-oxide after wet oxidation of buried AlGaAs has been investigated at the Technology Centre of LPN/CNRS. The vertical oxidation of GaAs or AlGaAs with low Al content activated by a neighbouring oxidized Al-rich AlGaAs layer has been discovered experimentally. To limit the vertical oxidation and reduce the roughness of the interface, the waveguides with buried oxide layer on superlattice sample and standard sample have been fabricated and characterised. The key role of hydrogen incorporation in the activation of the oxidation process for GaAs or AlGaAs materials with low Al content has been shown experimentally. Finally, this thesis reports the fabrication and the characterisation results of a Fabry-Perot laser working on TM mode which is an important building block for highly-sensitive monolithically-integrated circuit.