realization and optical studies of whispering gallery modes in silica microcavities on chip

Fabrication et étude optique de microcavités à modes de galerie intégrées sur silicium

Jean-Baptiste Jager (1)

1 SP2M - UMR 9002 - Service de Physique des Matériaux et Microstructures

This work consisted in developing a fabrication process of silica microtoroids on a silicon chip (steps of lithography and etching in clean room for the realization of microdisks, set up of an optical bench to form a microtoroid with a reflow treatment of a silica microdisk by a CO2-laser), setting up an optical bench to measure the linewidth of their optical resonances at 1.55 µm and finally, exploring light emitters integration in these cavities such as silicon and germanium. Very high quality-factors (Q) close to 10^8 at 1.55µm have been measured on microtoroids. These realizations are very close to the State of the art and validate both the fabrication of these cavities and the optical bench to measure the linewidth of their Whispering Gallery Modes (WGM). With a precise control of the fabrication steps, new resonators have also been fabricated, silica microspheres on a chip with small radii (5 < r < 14µm). An in-depth study of these last ones is presented. Q-factors close to 10^8 have also been measured on microspheres. WGM cavities with a SiOx: Er layer (silicon nanoclusters in silica with erbium ions) are studied by photoluminescence. Coupling of these light emitters to WGM is observed in visible and near infrared at room temperature. A work of coupling of germanium to WGM began and seems promising.

Ce travail de thèse a consisté à mettre en place toute une filière de fabrication de microtores en silice sur silicium (étapes de lithographie et de gravure en salle blanche pour la réalisation de microdisques, installation d'un banc optique permettant la transformation du résonateur en microtore par un procédé de recuit laser CO2), à installer un banc optique permettant de mesurer la largeur spectrale de leurs résonances optiques à 1.55 µm et enfin, à explorer l'intégration d'émetteurs de lumière composés d'éléments de la colonne IV comme du silicium et du germanium, dans ces cavités. Des microtores supportant des résonances de facteur de qualité Q proche de 10^8 à 1.55 µm ont été fabriqués. Ces réalisations sont très proches de l'état de l'art et valident à la fois la fabrication des cavités et le banc optique permettant les mesures spectrales des modes de galerie (WGM). Grâce à un contrôle fin des différentes étapes de fabrication, de nouveaux résonateurs ont également été réalisés, des microsphères de silice sur puce de petits rayons (entre 5 et 14 µm). Une étude détaillée de ces résonateurs est présentée. Des Q proches de 10^8 ont également été mesurés. Des cavités WGM comportant une couche de nanoclusters de silicium dans une matrice de silice avec des ions erbium (SiOx : Er) sont étudiées en photoluminescence. Un couplage des ces émetteurs à des WGM est observé à température ambiante dans le visible et dans l'infrarouge. Un travail de couplage du germanium aux WGM a commencé et semble prometteur.

Mots clés: Microcavities; Whispering gallery modes; Laser; Erbium; Silicon

Mots clés: Microcavités; Modes de galerie; Laser; Erbium; Silicium

Domaines: Autre [cond-mat.other]

Jean-Baptiste Jager. Fabrication et étude optique de microcavités à modes de galerie intégrées sur silicium. Autre [cond-mat.other]. Université de Grenoble, 2012. Français. ⟨NNT : 2012GRENY017⟩. ⟨tel-00768049⟩