Étude d'un système d'éclairage surfacique à géométrie planaire

Study of a planar lighting device

• Auteur / Autrice : Yida Wen
• Direction : Béatrice Dagens
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 23/09/2015
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Groupe PSA
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique fondamentale (Orsay, Essonne ; 19..-2016)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Besnard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Béatrice Dagens, Pascal Besnard, Olivier Gauthier-Lafaye, Jean-Claude Weeber, David Barat, Whilk-Marcelino Goncalves
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Gauthier-Lafaye, Jean-Claude Weeber

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résonance plasmonique de surface

Dispositifs optoélectroniques

Mots clés libres

Dispositifs intégrés photoniques

Guides d’onde plasmonique

Fabrication en salle blanche

Photonic integrated device

Plasmonic waveguide

Cleanroom fabrication

Résumé

La réalisation d’un système holographique 3D embarqué dans un véhicule nécessite le développement d’une structure d’éclairage surfacique à géométrie planaire pour générer un faisceau cohérent, directionnel et uniforme. Ce type de système a été jusque là réalisé à base de composants optiques classiques comme des lentilles et des miroirs. L’objectif de cette thèse est de proposer une solution plus compacte grâce à l’utilisation des (nano-) technologies d’intégration pour réaliser une émission cohérente, directionnelle et uniforme sur une grande surface à 633 nm en remplaçant les composants optiques volumineux par un circuit intégré photonique.Nous présentons d’abord de manière générale les applications des composants optiques et photoniques dans le domaine automobile, puis la structure planaire intégrée que nous visons pour l’éclairage du système holographique. Nous montrons ensuite l’intérêt du développement de circuits photoniques à base de guides de nitrure de silicium pour le fonctionnement dans le domaine du visible, comme requis pour la présente application. Les travaux réalisés sur les guides d’onde en Si₃N₄ pour la propagation de la lumière à 633 nm sont alors détaillés. Dans un premier temps, nous introduisons les méthodes théoriques pour analyser les modes guidés et montrons les résultats de calcul des indices des modes 1D et 2D pour dimensionner un guide rectangulaire monomode. Enfin, nous détaillons l’étude théorique et de simulation pour définir certains composants intégrés du circuit visé, comme le diviseur 1 × N de faisceau et les guides d’onde courbes. Nous présentons alors les travaux de fabrication des guides d’ondes Si₃N₄ encapsulés dans la silice, précédemment conçus, et qui présentent une dimension autour de 250 nm × 300 nm. Nous montrons les principales étapes de fabrication en salle blanche, comprenant le dépôt des diélectriques à l’aide de la PECVD, la lithographie assistée par faisceau d’électron (EBL) et la gravure ionique réactive (RIE). Les résultats de fabrication sont évalués et analysés afin d’optimiser le procédé de fabrication. Finalement, nous présentons le banc de caractérisation des guides d’onde et les résultats des pertes optiques mesurées. Le dernier chapitre est dédié à l’étude du couplage d’un mode photonique guidé à un mode plasmonique dans un système de guides d’onde, qui consiste en une chaine de nanoparticules métalliques en Au ou en Ag déposée sur le guide d’onde rectangulaire Si₃N₄. L’état de l’art et l’étude théorique sont d’abord présentés, puis nous montrons les résultats de simulation numérique de l’efficacité de couplage en fonction des tailles des nanoparticules et de la longueur d’onde dans ce système de guides d’onde couplés.

An auto-embedded 3D holographic system requires the development of a surface lighting integrateddevice to generate a coherent, directional and uniform lighting beam. Up to now, the realization of this type ofsystem is based on the conventional optical components such as lenses and mirrors. The objective of this thesis isto propose an ultra-compact solution by using the nanotechnologies, in order to realize coherent, directional and uniform light emitting at 633 nm on a large surface in replacing the bulky optical components by a photonic integrated circuit (PIC). In the beginning of the thesis, we present the automotive applications of optics and photonics, and then introduce to the integrated planar structure, which is expected to illuminate the holographic system. We present then our interest of developing silicon nitride waveguides-based PICs, which can be operated in the visible range, as required for the mentioned application. The realized research work on the Si₃N₄ waveguides for the light propagation at 633 nm are then detailed. At first, we introduce the theoretical methods for the analysis of the guided modes and present the calculated indexes of the 1D and 2D modes, which are used to design the single-mode rectangular waveguide. At last, we present exhaustively our theoretical study and simulation work to define some targeted PICs, as the 1 × N beam splitter and the bent waveguides. Then weintroduce the fabrication of the predetermined SiO₂ cladded Si₃N₄ waveguide samples, which have a cross-section size about 250 nm × 300 nm. We present main processes of the fabrication in cleanroom, including the deposition of the dielectric layers by using PECVD, the electron beam lithography (EBL) and the reactive ionicetching (RIE). The fabrication of waveguides has been evaluated and analyzed, in order to optimize the fabrication process. Finally, we present the waveguide’s characterization set-up and the measurement results ofthe optical losses. The last chapter of the thesis is dedicated to the study of the coupling effect from a guidedphotonic mode to a plasmonic mode supported by a guiding structure, which consists of a metallic nanoparticle(Au or Ag) chain deposited on top of the Si₃N₄ rectangular waveguide. The state of the art and the theoretical study are firstly introduced. Then we present the numerical simulation results of the coupling efficiency as a function of nanoparticle’s sizes and operation wavelength in this photonic-plasmonic coupled waveguide system.