Cristaux photoniques en silicium sur isolant pour le guidage, le filtrage, l'émission et l'éxtraction de lumière
Résumé
Photonic crystals (PCs), i.e. periodic dielectric structures, allow the control of light. For example, propagation of photons can be suppressed in certain directions and for frequencies contained in what is called the photonic band gap (PBG). This thesis report on the conception, fabrication and characterization of guides, filters, planar micro-cavities and light extractors based on two-dimensional silicon photonic crystals. This structures can be etched in the planar waveguide of silicon-on-insulator (SOI) substrates and they can take advantage of well known microelectronic fabrication technology. Furthermore, the fabrication with CMOS-type technology on 8 in. wafers allows to prepare the integration of optical functions within silicon microelectronic chips. The first part of this manuscript focuses on passive structures: guides and filters. An original optical bench was build in order to perform transmission measurements on a wide wavelength range (1.1 to 1.7 µm). Monolayer waveguides, mirrors and unidimensional cavities are investigated. Resonant modes with quality factors higher than 150 are measured. This results are in very good agreement with the FDTD (Finite Difference Time Domain) simulations and with the calculated band diagrams. The second part of the thesis concerns the out-of-plane light emission from photonic crystal structures. Confinement of photons in planar micro-cavities and light extraction properties of particular points on the photonic crystal band diagram are studied. Both approaches are investigated on SOI substrates and on a new kind of substrates, called “optical substrates”, developed especially for our applications and composed of a monocrystalline silicon layer bonded a buried distributed Bragg reflector. That way, the influence of the light confinement in the third direction have been investigated. On SOI substrate, a light extraction efficiency higher than 45 % have been measured on one side and in a reduced solid angle.
Les cristaux photoniques sont des structures diélectriques périodiques. Ils permettent de contrôler la lumière en interdisant, par exemple, la propagation des photons dans certaines directions et pour certaines fréquences contenues dans ce que l'on appelle le gap photonique. De part leur compatibilité avec la filière silicium et leur relative simplicité de fabrication, les cristaux photoniques bidimensionnels réalisés sur substrats silicium-sur-isolant (SOI) sont particulièrement attractifs pour la fabrication de circuits intégrés photoniques et ils pourraient constituer la base des futures interconnexions optiques en microélectronique. Dans ce cadre, nous nous sommes intéressé à la conception, la fabrication et la caractérisation de guides d'onde, de filtres, de cavités planaires et d'extracteurs de lumière. Dans une première partie, nos efforts se sont portés sur les structures passives. Un banc d'optique original à été monté pour caractériser celles-ci en optique guidé sur un large plage de longueur d'onde (de 1,1 à 1,7 µm). Le guidage dans des guides à cristaux photoniques mono-rangée a été caractérisé spectralement et la transmittance de miroirs et de cavités unidimensionnelles à cristaux photoniques a été étudiée. Des modes résonnants avec des facteurs de qualité jusqu'à 150 ont été mesurés. Ces résultats sont en très bon accord avec les simulations menées par la technique FDTD (Finite Difference Time Domain) et avec les calculs de diagrammes de bandes obtenus par la méthode des ondes planes. Dans un second temps, nous avons regardé les propriétés de photoluminescence hors du plan de certaines structures à cristaux photoniques. Deux voies différentes sont explorées : le confinement des photons dans le plan à l'aide de cavités hexagonales et l'utilisation de propriétés particulières de dispersion de certains modes du cristal photonique pour extraire la lumière. Ces deux approches sont abordées parallèlement sur des substrats SOI et sur de nouveaux substrats, appelés « substrats optiques », développés spécialement pour nos applications et constitués d'un guide planaire en silicium monocristallin déposé sur un miroir diélectrique multicouche. Ainsi, l'influence du confinement dans la direction verticale est abordée. Pour les extracteurs de lumière sur substrat SOI, une efficacité d'extraction de plus de 45 % est mesurée sur une face et dans un angle solide réduit.
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