Circuits photoniques intégrés SiGe pour des applications capteurs dans le moyen-infrarouge

SiGe photonic integrated circuits for mid-infrared sensing applications

• Auteur / Autrice : Qiankun Liu
• Direction : Delphine Marris-Morini
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 16/07/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....) - Dipartimento di Fisica e Centro L-NESS
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Maria Tchernycheva
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Delphine Marris-Morini, Maria Tchernycheva, Gunther Roelkens, Roland Teissier, Sergio Nicoletti, Joan Manel Ramírez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gunther Roelkens, Roland Teissier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie infrarouge

Optique intégrée

Dispositifs optoélectroniques

Détecteurs de rayonnement infrarouge

Mots clés libres

Photonique silicium

Moyen-Infrarouge

SiGe

Capteurs optiques intégrées

Silicon photonics

Mid-Infrared

SiGe

Integrated optical sensors

Résumé

La spectroscopie dans le moyen-infrarouge est une méthode universelle pour identifier les substances chimiques et biologiques, car la plupart des molécules ont leurs résonances de vibration et de rotation dans cette plage de longueurs d'onde. Les systèmes moyen infrarouge disponibles dans le commerce reposent sur des équipements volumineux et coûteux, tandis que de nombreux efforts sont maintenant consacrés à la réduction de leur taille et leur intégration sur circuits intégrés. L’utilisation de la technologie silicium pour la réalisation de circuits photoniques dans le moyen-infrarouge présente de nombreux avantages: fabrication fiable, à grand volume, et réalisation de circuits photoniques à hautes performances, compacts, légers et à faible consommation énergétique. Ces avantages sont particulièrement intéressant pour les systèmes de détection spectroscopique moyen infrarouge, qui besoin d'être portable et à faible coût. Parmi les différents matériaux disponibles en photonique silicium, les alliages silicium-germanium (SiGe) à forte concentration en Ge sont particulièrement intéressants en raison de la grande fenêtre de transparence du Ge, pouvant atteindre 15 µm. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est d'étudier une nouvelle plate-forme SiGe à forte concentration en Ge, pour la démonstration de circuits photoniques moyen infra rouge. Cette nouvelle plate-forme devrait bénéficier d'une large gamme de transparence en longueurs d'onde de transparence et de la possibilité d’ajuster les propriétés des guides optiques (indice effectif, dispersion,…). Au cours de cette thèse, différentes plates-formes basées sur différents profils graduels du guide d’onde ont été étudiées. Tout d'abord, il a été démontré qu’il était possible d’obtenir des guides présentant de faibles pertes optiques inférieures à 3 dB/cm dans une large plage de longueurs d'onde, de 5,5 à 8,5 µm. Une preuve de concept de détection de molécules, basée sur l'absorption de la partie évanescent du mode optique a ensuite été démontrée. Ensuite, les composants formant les briques de base classiques de la photonique intégrée ont été étudiés. Les premières cavités intégrées ont été réalisées à 8 µm. Deux configurations ont été étudiées : des cavité Fabry-Perot utilisant des miroirs de Bragg intégrés dans les guides d’onde et des résonateurs en anneau. Un spectromètre à transformée de Fourier fonctionnant sur une large bande spectrale, et pour les deux polarisations de la lumière a également été démontré. Tous ces résultats reposent sur la conception des matériaux et des composants, la fabrication en salle blanche et la caractérisation expérimentale. Ce travail a été effectué dans le cadre du projet européen INsPIRE en collaboration avec le Pr. Giovanni Isella de Politecnico Di Milano.

Mid-infrared (mid-IR) spectroscopy is a nearly universal way to identify chemical and biological substances, as most of the molecules have their vibrational and rotational resonances in the mid-IR wavelength range. Commercially available mid-IR systems are based on bulky and expensive equipment, while lots of efforts are now devoted to the reduction of their size down to chip-scale dimensions. The use of silicon photonics for the demonstration of mid-IR photonic circuits will benefit from reliable and high-volume fabrication to offer high performance, low cost, compact, lightweight and power consumption photonic circuits, which is particularly interesting for mid-IR spectroscopic sensing systems that need to be portable and low cost. Among the different materials available in silicon photonics, Germanium (Ge) and Silicon-Germanium (SiGe) alloys with a high Ge concentration are particularly interesting because of the wide transparency window of Ge up to 15 µm. In this context, the objective of this thesis is to investigate a new Ge-rich graded SiGe platform for mid-IR photonic circuits. Such new plateform was expected to benefit from a wide transparency wavelength range and a high versatility in terms of optical engineering (effective index, dispersion, …). During this thesis, different waveguides platforms based on different graded profiles have been investigated. First it has been shown that waveguides with low optical losses of less than 3 dB/cm can be obtained in a wide wavelength range, from 5.5 to 8.5 µm. A proof of concept of sensing based on the absorption of the evanescent component of the optical mode has then been demonstrated. Finally, elementary building blocs have been investigated. The first Bragg mirror-based Fabry Perot cavities and racetrack resonators have been demonstrated around 8 µm wavelength. A broadband dual-polarization MIR integrated spatial heterodyne Fourier-Transform spectrometer has also been obtained. All these results rely on material and device design, clean-room fabrication and experimental characterization. This work was done in the Framework of EU project INsPIRE in collaboration with Pr. Giovanni Isella from Politecnico Di Milano.