Fabrication de structures de guides d'ondes à réseau pour la stabilisation spectrale (et la polarisation linéaire) et le multiplexage en longueur d'onde pour la gamme de longueurs d'onde de 976 nm, 1030 nm et 2000 nm

Fabrication of grating waveguide structures for spectral (and linear polarization) stabilization and wavelength multiplexing for 976 nm, 1030 nm, and 2000 nm wavelength range

• Auteur / Autrice : Ratish Rao Nagaraj Rao
• Direction : Yves Jourlin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, Photonique et Hyperfréquences
• Date : Soutenance le 08/12/2022
• Etablissement(s) : Saint-Etienne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Hubert Curien (Saint-Etienne ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Julien Lumeau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marwan Abdou Ahmed, Isabelle Verrier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-François Bisson

Mots clés

Mots clés contrôlés

Multiplexage en longueur d'onde

Guides d'ondes

Guides d'ondes optiques

Nanoimpression

Mots clés libres

Structures de réseau à guide d'onde

Variation de la période de grille

Uniformité des périodes

Lithographie par interférence laser

NanoFabrication

Grating wavegide structures

Grating period variation

Period chirp

Period uniformity

Laser interference lithography

NanoFabrication

Résumé

Ce travail de doctorat s'inscrit dans le cadre du projet européen GREAT (Grating Reflectors Enabled Applications and Training). Le projet porte sur l'exploration des technologies de production par un contrôle approprié du processus de fabrication de réseaux résonants (Grating Waveguide Structures - GWS) pour des systèmes laser haute puissance. L'objectif de cette thèse est de développer des GWS pour la stabilisation spectrale et le multiplexage de longueurs d'onde d’une diode laser émettant à 976 nm et d’un laser à l’état solide émettant à 1 µm. Ce travail se concentre principalement sur la fabrication GWS par lithographie interférentielle (Laser Interference Lithography - LIL) et sur l'optimisation de cette technique pour obtenir une meilleure uniformité de la période du réseau. La fabrication par LIL de GWS sur multicouche est détaillée depuis la fabrication du multicouche jusqu'à l'étape finale de gravure. Les réseaux ainsi fabriqués sont ensuite caractérisés optiquement et géométriquement. L'échantillon GWS utilisé pour un système laser à l'état solide émettant à 1 µm a montré une efficacité de diffraction de 92%. La fabrication des moules en silicium (Si) est également détaillée. Ce développement est motivé par leur utilisation, à terme, comme tampon dans la technique de lithographie par nano-impression (NIL) pour produire des GWS plus rapidement et à moindre coût. Un résultat important de ce travail est basé sur l'étude quantitative d'une technique établie, à savoir la déformation du substrat pendant l’étape de lithographie interférentielle pour réduire la variation de période due à l'utilisation de faisceaux d'exposition divergents. Les résultats expérimentaux montrent une réduction moyenne d'environ 85% de la variation de période pour un substrat de 4 pouces de diamètre.

This Ph.D. work is part of the European project GREAT (Grating Reflectors Enabled Applications and Training). The project focuses on exploring production technologies through appropriate control of the manufacturing process of Grating Waveguide Structures (GWS) for high-power laser systems. The objective of this thesis is to develop GWS for spectral stabilization and wavelength multiplexing of a 976 nm emitting laser diode and a 1 µm emitting solid-state laser. The main focus of this work is on GWS fabrication by Laser Interference Lithography (LIL) and on optimizing this technique to obtain a better uniformity of the grating period. The LIL fabrication of GWS on multilayers is detailed from the fabrication of the multilayer to the final etching step. The fabricated gratings are then characterized optically and geometrically. The GWS sample used for a solid-state laser system emitting at 1 µm showed a diffraction efficiency of 92%. The fabrication of silicon (Si) molds is also detailed. This development is motivated by their eventual use as a buffer in the nanoimprint lithography (NIL) technique to produce GWSs faster and at a lower cost. An important result of this work is based on the quantitative study of an established technique, namely, the deformation of the substrate during the interferential lithography step to reduce the period variation due to the use of divergent exposure beams. Experimental results show an average reduction of about 85% in period variation for a 4-inch diameter substrate.