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Université Paris-Diderot - Paris VII (05/02/2010), Giuseppe Leo (Dir.)
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Caractérisation optique et structurale de guides d'ondes non-linéaires GaAs/AlOx
Erwan Guillotel1

Cette thèse a porté sur la réalisation et la caractérisation d'une source paramétrique guidée en GaAs/AlGaAs. Grâce à son design, basé sur la biréfringence de forme, celle-ci permet la génération paramétrique sur une gamme spectrale allant de 1.2 à 2.4 µm. Cette propriété optique et sa taille réduite font d'un tel dispositif un candidat pour la fabrication d'un oscillateur paramétrique optique intégré. Néanmoins, au cours de sa fabrication, les pertes optiques guidées augmentent de 0.1 à 0.5 cm-1 suite à l'oxydation sélective des couches riches en aluminium, les transformant en AlOx. A travers une étude par microscopie électronique en transmission, nous avons tout d'abord caractérisé les propriétés structurales et chimiques de l'AlOx et des interfaces GaAs/AlOx. Nous avons ainsi constaté une augmentation de la rugosité de ces interfaces et une modification locale des couches de GaAs induites par l'étape d'oxydation. Dans un second temps, nous avons caractérisé certaines propriétés optiques des guides d'ondes. Un calcul semi-analytique nous a permis d'établir la valeur des pertes de propagation, en bon accord avec les mesures expérimentales, induite par la rugosité des interfaces GaAs/AlOx. Nous avons ensuite établi les conditions d'oxydation optimales en mesurant systématiquement les pertes de propagation. Nous avons caractérisé les performances de notre source en effectuant la première mesure d'amplification paramétrique dans un guide d'ondes semi-conducteur. Le coefficient de gain paramétrique mesuré, compatible avec l'obtention de l'oscillation paramétrique, nous a amené à concevoir, fabriquer et caractériser différentes cavités résonnantes.
1:  MPQ - Matériaux et Phénomènes Quantiques
AlOx – diffusion Rayleigh – GaAs – guide d'onde – Microscopie Electronique en Transmission – optique non-linéaire – oscillation paramétrique – oxydation sélective

Optical and structural characterization of GaAs/AlOx nonlinear waveguides
This thesis dealt with the realization and characterization of a GaAs/AlGaAs waveguided parametric source. Thanks to its design, based on form birefringence, it allows the parametric generation on the spectral range 1.2 - 2.4 µm. This optical property and its reduced size make it a candidate for the fabrication of an integrated optical parametric oscillator. However, during its fabrication the guided optical losses increase from 0.1 to 0.5 cm-1 due to the selective oxidation of aluminum-rich layers, turning them into AlOx. Thanks to a transmission electron microscopy study we have first characterized the structural and chemical properties of the AlOx and the GaAs/AlOx interfaces. We have thus observed an increase of the interfaces roughness and a local modification of the GaAs layers induced by the oxidation step. In a second time, we have characterized some of the waveguides optical properties. A semi-analytical calculation has allowed us to establish the propagation losses value, in good agreement with the experimental measurements, induced by the GaAs/AlOx interfaces roughness. We have then established the optimum oxidation conditions by systematically measuring the propagation losses. We have characterized the performances of our source measuring for the first time parametric amplification in a semi-conductor waveguide. The measured parametric gain coefficient, compatible with the parametric oscillation, has leaded us to design, fabricate and characterize various resonant cavities.
AlOx – GaAs – nonlinear optics – parametric oscillation – Rayleigh scattering – selective oxidation – Transmission Electron Microscopy – waveguide

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