Study of optical and optoelectronic devices based on carbon nanotubes

par Elena Durán Valdeiglesias

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Laurent Vivien.

Soutenue le 07-05-2019

à Paris Saclay , dans le cadre de Electrical, Optical, Bio: PHYSICS_AND_ENGINEERING , en partenariat avec Université Paris-Sud (établissement opérateur d'inscription) et de Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (2016-....) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Etude de composants optiques et optoélectroniques à base de nanotubes de carbone


  • Résumé

    La photonique silicium est reconnue comme la technologie à même de répondre aux nouveaux défis des interconnexions optiques. Néanmoins, la photonique silicium doit faire face à d'importants défis. En effet, le Si ne peux pas émettre ou détecter de la lumière dans la plage de longueurs d'onde des télécom (1,3 µm à 1,5 µm). Par conséquent, les sources et les détecteurs sont mis en œuvre avec du Ge et des matériaux III-V. Cette approche multi-matériaux complique la fabrication des dispositifs et augmente le coût final du circuit. Cependant, les nanomatériaux ont été identifiés comme alternative pour la mise en œuvre d’émetteurs-récepteurs moins chers et plus petits.Cette thèse est dédiée à l'étude et au développement de dispositifs optiques et optoélectroniques sur la plateforme photonique silicium basés sur l’utilisation de nanotubes de carbone mono paroi (SWCNT). L’objectif principal est de démontrer les blocs fonctionnels de base qui ouvriront la voie à une nouvelle technologie photonique dans laquelle les propietés actives proviennent des nanotubes de carbone.Les nanotubes de carbone ont été étudiés comme matériaux pour la nanoélectronique avec la démonstration de transistors ultra-compacts à hautes performances. De plus, les SWCNTs semi-conducteurs (s-SWCNTs) sont également des matériaux très intéressants pour la photonique. Les s-SWCNTs présentent une bande interdite directe qui peut être ajustée dans la gamme de longueurs d'onde du proche infrarouge en choisissant le bon diamètre. Les s-SWCNT présentent une photoluminescence et une électroluminescence, pouvant être exploitées pour la mise en œuvre de sources de lumière. Ils présentent également diverses bandes d’absorption pour la réalisation de photodétecteurs. Ces propriétés font que les nanotubes de carbone sont des candidats très prometteurs pour le développement de dispositifs optoélectroniques pour la photonique.Le premier objectif de la thèse était l'optimisation des solutions de nanotubes de carbone. Une technique de tri par ultra-centrifugation assistée par polymère a été optimisée, donnant des solutions de haute pureté en s-SWCNT. Sur cette base, plusieurs solutions de s-SWCNTs ont été élaborées pour obtenir des SWCNTs émettant dans les longueurs d'onde comprise entre 1µm et 1,6µm.Le deuxième objectif était d’étudier l'interaction des s-SWCNT avec des guides d'onde silicium et des résonateurs optiques. Plusieurs géométries ont été étudiées dans le but de maximiser l'interaction des s-SWCNT avec le mode optique en exploitant la composante transverse du champ électrique. D'autre part, une approche alternative a été proposée et démontrée en utilisant la composante longitudinale du champ électrique. En utilisant la composante longitudinale, une amélioration de la photoluminescence, un seuil d’émission avec la puissance de pompe ainsi qu’un rétrécissement de la largeur spectrale des résonances dans les microdisques ont été observés. Ces résultats sont un premier pas très prometteur vers la démonstration d’un laser intégré à base de SWNTs.Le troisième objectif était d'étudier les dispositifs optoélectroniques à base de s-SWCNTs. Plus spécifiquement, une diode électroluminescente (DEL) et un photodétecteur ont été développés, permettant la démonstration du premier lien optoélectronique sur puce basé sur les s-SWCNT.Le dernier objectif de la thèse était d'explorer le potentiel de s-SWCNT pour l’optique non linéaire. Il a été démontré expérimentalement, qu’en choisissant la chiralité des s-SWCNTs, le signe du coefficient Kerr pouvait être soit positif ou négatif. Cette capacité unique ouvre un nouveau degré de liberté pour contrôler les effets non linéaires sur puce, permettant de compenser ou d'améliorer les effets non linéaires pour des applications variées.


  • Résumé

    Silicon photonics is widely recognized as an enabling technology for next generation optical interconnects. Nevertheless, silicon photonics has to address some important challenges. Si cannot provide efficient light emission or detection in telecommunication wavelength range (1.3μm-1.5μm). Thus sources and detectors are implemented with Ge and III-V compounds. This multi-material approach complicates device fabrication, offsetting the low-cost of Si photonics. Nanomaterials are a promising alternative route for the implementation of faster, cheaper, and smaller transceivers for datacom applications.This thesis is dedicated to the development of active silicon photonics devices based on single wall carbon nanotubes (SWCNTs). The main goal is to implement the basic building blocks that will pave the route towards a new Si photonics technology where all active devices are implemented with the same technological process based on a low-cost carbon-based material, i.e. SWCNT.Indeed, carbon nanotubes are an interesting solution for nanoelectronics, where they provide high-performance transistors. Semiconducting SWCNT exhibit a direct bandgap that can be tuned all along the near infrared wavelength range just by choosing the right tube diameter. s-SWCNTs provide room-temperature photo- and electro- luminescence and have been demonstrated to yield intrinsic gain, making them an appealing material for the implementation of sources. SWCNTs also present various absorption bands, allowing the realization of photodetectors.The first objective of this thesis was the optimization of the purity of s-SWCNT solutions. A polymer-sorting technique has been developed and optimized, yielding high-purity s-SWCNT solutions. Based on this technique, several solutions have been obtained yielding emission between 1µm and 1.6µm wavelengths.The second objective was the demonstration of efficient interaction of s-SWCNT with silicon photonics structures. Different geometries have been theoretically and experimentally studied, aiming at maximizing the interaction of s-SWCNT with optical modes, exploiting the electric field component transversal to light propagation. An alternative approach to maximize the interaction of s-SWCNT and the longitudinal electric field component of waveguide modes was proposed. Both, a power emission threshold and a linewidth narrowing were observed in several micro disk resonators. These results are a very promising first step to go towards the demonstration of an integrated laser based on CNTs.The third objective was to study optoelectronic SWCNT devices. More specifically, on-chip light emitting diode (LED) and photodetector have been developed, allowing the demonstration of the first optoelectronic link based on s-SWCNT. s-SWCNT-based LED and photodetector were integrated onto a silicon nitride waveguide connecting them and forming an optical link. First photodetectors exhibited a responsivity of 0.1 mA/W, while the complete link yielded photocurrents of 1 nA/V.The last objective of the thesis was to explore the nonlinear properties of s-SWCNT integrated on silicon nitride waveguides. Here, it has been experimentally shown, for the first time, that by choosing the proper s-SWCNT chirality, the sign of the nonlinear Kerr coefficient of hybrid waveguide can be positive or negative. This unique tuning capability opens a new degree of freedom to control nonlinear effects on chip, enabling to compensate or enhancing nonlinear effects for different applications.


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