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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes
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57documents trouvés

18392
24/10/2018

Nouveaux concepts de nano-filtres infrarouges à l’échelle du pixel

L.MACE

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Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 24 Octobre 2018, 269p., Président: P.LALANNE, Rapporteurs: R.HAIDAR, F.DE FORNEL, Examinateurs: A.L.FEHREMBACH, N.PERE-LAPERNE, Directeurs de thèse: O.GAUTHIER LAFAYE, A.MONMAYRANT , N° 18392

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Abstract

In the near-infrared (NIR) and mid-infrared (MIR) spectral domains (3-10µm), requirements and needs evolve toward more complex optical functions and highly-integrated systems. This is especially relevant in the context of space and aeronautics applications for earth observation, where the aim is to increase the number of acquired spectral bands while simultaneously reducing the device footprint. These requirements translate into a pixelization of the filters so that they can be integrated into a mosaic which also performs the spatial filtering and different spectral functions. As of today, conventional thin films filter technologies haven’t been shown to achieve this goal. As a result, different filtering concepts originating from the field of photonics which could overcome these limitations must be investigated. “Zero-contrast gratings” (ZCG) are a kind of guided-mode resonance filters that have proved to implement efficient tunable transmission filters in the MIR, while having a very simple structure. Nevertheless, their narrow transmission linewidth and weak angular acceptance hinder their applicability for pixelated applications in the MIR. We present in this work several structures based on the ZCG concept. On the one hand, we have introduced doubly-corrugated 1D filters with bandwidths ranging from 1 to 200nm, allowing for 100µm pixel sizes and tunable over a domain of 200nm. On the other hand, we have shown a novel filtering concept, which we called “TE/TM ZCG”. This new generation of ZCG is not bound by stringent material requirements inherent to conventionnal ZCGs. Their fabricability have been demonstrated through cleanroom operations. A first doubly-corrugated 1D filter has been fabricated and characterized optically.

Résumé

Dans le domaine du proche infrarouge et du moyen infrarouge (3-10µm), les besoins évoluent vers une plus grande complexité des fonctions optiques et un niveau d’intégration plus élevé des systèmes. Ceci est particulièrement vrai dans un contexte spatial ou aéronautique visant à l’observation de la terre, où l’on cherche simultanément à accroître le nombre de bandes spectrales acquises et à miniaturiser les systèmes d’observation. Cela se traduit notamment par une pixellisation des filtres afin que ceux-ci soient intégrés dans une matrice réalisant plusieurs fonctions optiques. Or, les méthodes traditionnelles de fabrication de filtres optiques utilisant des empilements de couches minces n’ont pas démontré leur capacité à répondre au besoin de pixellisation dans l’infrarouge. C’est pourquoi il est nécessaire d’étudier de nouveaux concepts de filtrages issus du domaine de la photonique permettant de s’affranchir de ces limitation! s. Les « zero-contrast gratings » (ZCG), qui constituent une sous-catégorie des réseaux résonnants, ont démontré leur capacité à réaliser des filtres en transmission accordables de grande efficacité dans le proche-infrarouge, tout en ayant une structure très simple. Néanmoins, leur faible bande passante et leur tolérance angulaire réduite en limitent la pertinence pour des applications pixellisées dans le moyen-infrarouge. Nous présentons dans cette thèse diverses structures basées sur ce même concept de ZCG. D’une part nous introduisons des filtres 1D doublement corrugués de bande passante variant entre 1 et 200nm, dont les tailles de pixels accessibles sont de l’ordre de 100µm, accordables sur une bande de 200nm. D’autre part, nous avons développé un nouveau concept de filtre, dit « ZCG TE/TM » dont le fonctionnement permet de dépasser une limitation très restrictive des ZCGs conventionnels pour le choix d! es matériaux. La fabricabilité de ces dispositifs a été démontrée lors d’opérations technologiques menées en salle blanche. Un premier démonstrateur de filtre 1D doublement corrugué été caractérisé optiquement.

Mots-Clés / Keywords
Photonique; Réseaux sub-longueur d'onde; Filtrage spectral; Infrarouge; Nanotechnologies; Photonics; Spectral filter; Infrared; Nanotechnology;

145333
18255
01/06/2018

Matériaux fonctionnels et procédés technologiques pour la réalisation de composants optiques actifs transparents

A.HELIOT

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Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 1 Juin 2018, 200p., Président: G.MOLNAR, Rapporteurs: F.DE FORNEL, P.ETIENNE, Examinateurs: Y.JOURLIN, Directeurs de thèse: H.CAMON, T.GACOIN , N° 18255

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144493
18010
23/01/2018

Etude et réalisation de jonctions tunnel à base d'hétérostructures à semiconducteurs III-V pour les cellules solaires multi-jonction à très haut rendement

K.LOUARN

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Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 23 Janvier 2018, 197p., Président: C.ALONSO, Rapporteurs: J.C.HARMAND, J.CONNOLLY, Examinateurs: Y.ROUILLARD, Directeurs de thèse: G.ALMUNEAU, A.BOUNOUH , N° 18010

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01705164

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Abstract

Multi-Jonction Solar Cells (MJSCs) are leading the way of high efficiency photovoltaic devices, with conversion efficiency up to 46%. Their subcells are designed to absorb in a specific and complementary range of the solar spectrum, and are connected in series with tunnel junctions. The tandem architecture InGaP/GaAs - with bandgaps of 1.87 eV and 1.42 eV respectively - is mature and its efficiency could be enhanced by incorporating subcell(s) with bandgaps of 1 eV and/or 0.7 eV. The Molecular Beam Epitaxy (MBE) growth of such low bandgap materials has thus to be developed, as well as low-resistive tunnel junctions with good structural and optical properties. Based on the MBE growth and the simulation of GaAs tunnel junctions, we have identified interband tunneling as the predominant transport mechanism in such devices rather than trap-assisted-tunneling. The interband tunneling mechanism could be enhanced with the type II GaAsSb/InGaAs heterostructure. Using this material system, we have then demonstrated tunnel junctions with very low electrical resistivity with a limited degradation of the optical and structural properties inherently induced by the use of low band-gap and lattice-mismatched GaAsSb and InGaAs materials. Moreover, we fabricated an innovative AlInGaAs/AlGaAsSb tunnel junction as a graded buffer architecture that could be used for the incorporation of a 1 eV metamorphic subcell. We then developed and characterized InGaAsN(Bi) materials with band-gaps of ~1eV, taking advantage of in-situ wafer curvature measurements during the MBE growth to control the lattice-mismatch. Preliminary solar cells based on GaAs, 1 eV dilute nitride and metamorphic InGaAs have been fabricated and characterized validating the developed tunnel junction architectures. This work has enabled to demonstrate the potential of the type II GaAsSb/InGaAs heterostructure to meet the challenges posed by the conception and the fabrication of GaAsbased MJSCs, both for the tunnel junction and the 1 eV subcell.

Résumé

L’architecture des cellules solaires multi-jonction permet d’obtenir des records de rendement de conversion photovoltaïque, pouvant aller jusqu’à 46%. Leurs sous-cellules sont chacune conçues pour absorber une partie bien définie et complémentaire du spectre solaire, et sont connectées en série par des jonctions tunnel. La fabrication de cellules solaires tandem InGaP/GaAs d’énergies de bande interdite (« band gap ») 1,87 eV/1,42 eV accordées en maille sur substrat GaAs est bien maîtrisée, et de très hauts rendements peuvent être obtenus en ajoutant une ou deux sous-cellules de plus petit « gap » (1 eV et 0,7eV). Pour cela, les matériaux « petits gaps » fabriqués par Epitaxie par Jets Moléculaires (EJM) doivent être développés ainsi que des jonctions tunnel présentant une faible résistivité électrique, une haute transparence optique et de bonnes propriétés structurales. La croissance EJM et la modélisation de jonctions tunnel GaAs nous a permis d’identifier le mécanisme d’effet tunnel interbande plutôt que le mécanisme d’effet tunnel assisté par les défauts comme mécanisme dominant du transport dans ces structures. Nous avons exploité l’hétérostructure de type II fondée sur le système GaAsSb/InGaAs pour favoriser ce mécanisme d’effet tunnel interbande, et donc obtenir des jonctions tunnel de très faible résistivité tout en limitant la dégradation des propriétés optiques et structurales des composants inhérente à l’utilisation de matériaux « petits gaps » et désaccordés en maille GaAsSb et InGaAs. De plus, nous avons conçu une structure innovante d’hétérojonction tunnel de type II AlGaInAs/AlGaAsSb sous la forme de tampon graduel pour l’incorporation d’une sous-cellule métamorphique à 1 eV. Plusieurs candidats pour le matériau absorbeur à 1 eV à base de nitrure dilué InGaAsN(Bi) ont alors été développés et caractérisés, le contrôle de l’accord de maille étant assuré par un suivi en temps réel de la courbure de l’échantillon pendant la croissance EJM. Des premières cellules solaires III-V à base de GaAs, de nitrure dilué à 1 eV et de GaInAs métamorphique ont été fabriquées afin de valider les architectures développées de jonctions tunnel. Ce travail a permis de démontrer le potentiel de l’hétérostructure de type II GaAsSb/InGaAs pour répondre aux principaux défis de conception et de fabrication des cellules solaires multi-jonction sur substrat GaAs, que ce soit au niveau de la jonction tunnel ou au niveau de l’incorporation des sous-cellules de gap 1 eV.

Mots-Clés / Keywords
Photovoltaïque; Epitaxie; Cellules solaires multi-jonction; Semiconducteurs III-V; Jonction tunnel; Photovoltaic; Epitaxy; Multi-junction solar cells; III-V semiconductors; Tunnel junction;

142198
17468
08/12/2017

Conception et analyse de micro-résonateurs opt iques pour la générat ion de peignes de fréquences

C.ARLOTTI

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Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 8 Décembre 2017, 156p., Président:P.ARGUEL, Rapporteurs: P.FERON, R.OROBTCHOUK, Examinateurs: N.BELABAS, Directeurs de thèse: S.CALVEZ, G.ALMUNEAU , N° 17468

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01681181

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Abstract

Whispering-gallery –mode micro-resonators, whether in the form of disks, rings or racetracks, have become the key building blocks of many high-performance photonic components. The embodiments exploiting the III-V semiconductors are particularly attractive for they open the possibility of integrating active and passive sections together and therefore diversify the functionalities on the same photonic chip. Furthermore, the vertical integration of the resonator above its access waveguide(s) makes it possible to distribute the active and passive functions on distinct planes and makes the realization of the components easier by using better-controlled methods. A fabrication technique recently introduced in the team and based on the AlGaAs / AlOx technological platform, allowed us to realize, by means of simple steps, vertically-coupled microdisks. The performance of these components, however, is limited due to their architecture, complicated by their constitutive multilayer stack. The research carried out during this PhD thesis focused on the feasibility of emitting an optical frequency comb from these resonators. For this purpose, the components must be designed so as to present a sufficiently high quality factor while maximizing the power circulating in the cavity in order to be able to trigger the non-linear processes required for the comb generation. For a transverse singlemode component, the intracavity power is maximal when the system operates in critical coupling regime, i.e .when the losses inside the cavity are equal to external losses (or coupling losses). As a first step, we have developed a semi-analytical tool based on a modal expansion in order to carry out a broadband parametric study of the performances of vertically coupled systems. Up to now, this coupling layout has indeed been little studied, both theoretically and practically. Our generic model, based on the coupled mode theory (CMT) and the universal relations governing the spectral properties of coupled micro-resonators, reveals two theoretical conditions for obtaining an achromatic critical-coupling regime when the cavity and its access waveguide are phase-mismatched. We first applied it to the simulation of single-mode racetrack resonators made of Si3N4 / SiO2 since several studies have already demonstrated comb generation using this technological platform. Our work resulted in the design of phase-mismatched and technologically feasible structures with criticalcopuling bandwidths being increased by one order of magnitude compared to the reference case of phase-matched waveguides. We subsequently initiated a numerical evaluation of frequency comb generation, based on the iterative resolution of the non-linear Schrödinger equation taking into account the variations of the spectral and dispersive properties of these racetracks. The generic model has finally been applied to AlGaAs / AlOx microdisks. For this purpose, we have introduced a criterion allowing an unambiguous implementation of CMT in the case of asymmetric couplers having a multi-layer separation zone. The results, in good agreement with experimental data, allowed us to better understand the limitations of the fabricated devices and to propose new structures AlGaAs / AlOx with improved performances. The experimental validation of the proposed designs for both the Si3N4 / SiO2 and AlGaAs / AlOx components is currently in progress.

Résumé

Les micro-résonateurs à modes de galerie, qu’ils soient déclinés sous forme de disques, anneaux ou hippodromes, sont devenus les éléments constitutifs clés de nombreux composants photoniques de haute performance. Les réalisations exploitant les semiconducteurs III-V sont particulièrement attrayantes car elles ouvrent la possibilité d’intégrer conjointement des sections actives et passives et donc de diversifier les fonctionnalités sur une même puce photonique. Au niveau technologique, l’intégration verticale du résonateur au-dessus de ses guides d’accès permet de distribuer les fonctions actives et passives sur des plans distincts et de faciliter la réalisation des composants grâce à des procédés mieux maitrisés. Une technique de fabrication récemment introduite dans l’équipe et basée sur la filière AlGaAs/AlOx a ainsi permis de réaliser, à l’aide d’étapes simples, des micro-disques couplés verticalement à leur guide d’accès. Les performances de ces composants restent toutefois limitées en raison de leur architecture, complexifiée par les empilements multicouches qui les constituent. Les travaux de recherche menés au cours de cette thèse ont porté sur la faisabilité d’émettre un peigne de fréquences optiques à partir de ces résonateurs. Pour cela, les composants doivent être conçus de manière à présenter un facteur de qualité suffisamment élevé tout en maximisant la puissance circulant dans la cavité, afin de pouvoir déclencher les processus non-linéaires à la base de la génération du peigne. Pour un composant monomode transverse, la puissance intracavité est maximale lorsque le système opère en régime de couplage critique, c’est-à-dire lorsque les pertes internes à la cavité sont égales aux pertes externes (ou pertes par couplage). Nous avons donc développé un outil semi-analytique basé sur une expansion modale afin de réaliser une modélisation paramétrique large bande des performances des systèmes couplés verticalement, encore peu étudiés, tant au plan théorique que pratique. Notre modèle générique exploite la théorie des modes couplés (CMT) et les relations universelles régissant les propriétés spectrales des micro-résonateurs couplés. Nous l’avons étendu en étudiant l’influence spectrale de différents paramètres opto-géométriques sur la fonction de transfert de la cavité couplée et avons, en particulier, mis en évidence par une approche variationnelle, deux conditions théoriques permettant d’obtenir un régime critique achromatique lorsque la cavité et son guide d’accès sont désaccordés en phase. Ce modèle à d’abord été appliqué à la simulation de résonateurs en hippodromes exploitant la filière Si3N4/SiO2 car plusieurs études ont déjà démontré la génération de peignes avec cette plateforme technologique. Ces travaux ont abouti au dessin de structures désaccordées en phase et technologiquement réalisables dont la bande passante critique est augmentée d’un ordre de grandeur par rapport au cas plus répandu de guides accordés en phase. Nous avons ensuite initié une évaluation numérique de la génération de peignes de fréquences, basée sur la résolution itérative de l’équation de Schrödinger non-linéaire prenant en compte les variations des propriétés spectrales et dispersives de ces hippodromes. Le modèle générique a enfin été appliqué aux micro-disques AlGaAs/AlOx. Pour cela, nous avons introduit un critère permettant d’utiliser la CMT dans le cas de coupleurs asymétriques présentant une zone de séparation multicouche. Les résultats, en bon accord avec l’expérience, nous ont permis de mieux appréhender les limitations des dispositifs réalisés et de proposer de nouvelles structures pour en améliorer les performances. Le dessin d’une nouvelle structure AlGaAs/AlOx multicouche permettant d’améliorer les facteurs de qualité des résonateurs jusqu’à deux ordres de grandeurs a ainsi été proposé. La validation expérimentale des dessins proposés tant pour la filière Si3N4/SiO2 que AlGaAs/AlOx est en cours.

141873
17462
01/12/2017

Lithographie par nanoimpression pour la fabrication de filtres à réseaux résonants en cavité

S.AUGÉ

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Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 1er Décembre 2017, 192p., Président: P.ARGUEL, Rapporteurs: J.BOUSSEY, Y.JOURLIN, Examinateurs: V.YAM, Directeurs de thèse: O.GAUTHIER LAFAYE, A.MONMAYRANT , N° 17462

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01680890

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Abstract

Cavity resonator integrated grating filters (CRIGFs) are a new generation of nanostructured reflective filters. They present a strong interest for many applications. However, their manufacturing is relatively complex: CRIGFs are components structured at small scales compared to the wavelength of interest but on a relatively large area. They are usually made by electron beam lithography technique which presents a sufficient resolution but does not allow parallel patterning and is thereby time consuming for large area components. Furthermore, CRIGFs are often fabricated on insulating wafers which make the e-beam lithography process more complicated. In this PhD, a CRIGF process manufacturing has been implemented through soft mold nanoimprint lithography (SNIL). This high throughput collective technology keeps the benefits of the traditional electron beam lithography while overcoming its limits. Nano-scale patterns can be made by a simple stamping under UV exposure of a soft mold on a polymer resist layer. After stabilizing the process and assessing the technique limits, plenty of CRIGFs have been manufactured. They exhibit optical performances in the near-infrared range equivalent to those manufactured by e-beam lithography. Secondly, it has been demonstrated that the implemented process is generic. We have shown the possibility to overcome the usual design trade-offs by structuring directly the waveguide, before embedding. Moreover, this same process has been shown to be applied in a straightforward way to fabricate CRIGFS in the mid-infrared range using a III-V crystalline material and micrometric sized patterns. Finally, we have demonstrated the great flexibility and sustainability of the process by testing different potential geometries of CRIGFs. Notably, we have designed a CRIGF with a period gradient leading to the first tunable CRIGF ever demonstrated. Lastly, we have evaluated the potential manufacturing of complex CRIGFs with several corrugation levels.

Résumé

Les filtres CRIGFs sont une nouvelle génération de filtres optiques réflectifs nanostructurés qui présentent un très fort intérêt pour de nombreuses applications. Cependant, leur fabrication est relativement complexe : il s’agit de composants structurés à des échelles petites devant la longueur d’onde d’utilisation, mais de surface totale relativement grande. Ils sont usuellement fabriqués en utilisant des procédés de lithographie de type lithographie électronique, qui présente une résolution suffisante mais qui est séquentielle et donc lente pour de telles surfaces de composant. En outre, les CRIGFs sont souvent réalisés sur des substrats isolants, ce qui complexifie encore plus l’utilisation de cette lithographie. Lors de cette thèse, un procédé de fabrication des CRIGFs a été développé à partir de la lithographie par nanoimpression via moule souple (SNIL). Cette technologie collective et à haut rendement contourne les inconvénients et garde les avantages de la traditionnelle lithographie électronique. Elle permet de fabriquer des motifs nanométriques par simple pressage d’un moule souple sur une couche de résine de polymères sous insolation d’ultraviolets. Après avoir stabilisé le procédé et établi les limites de la technologie, de nombreux filtres CRIGFs ont ainsi été créés. Ils présentent des résultats optiques équivalents dans le proche infrarouge (NIR) à ceux fabriqués par lithographie électronique. Dans un deuxième temps, le caractère générique du procédé mis en place a été démontré de plusieurs façons. Premièrement, nous avons montré qu’il était possible à l’aide de celui-ci de dépasser les compromis usuels de conception en structurant directement le guide d’onde, qui sera ensuite ré-encapsulé. Deuxièmement, nous avons montré que ce même procédé pouvait être directement transféré pour réaliser des filtres CRIGF dans la gamme du moyen infrarouge, bien que les filtres soient alors réalisés sur un matériau cristallin III-V et présentent des dimensions micrométriques plutôt que nanométriques. Enfin, nous avons démontré la grande souplesse et stabilité du procédé en l’utilisant pour explorer différentes géométries potentiellement intéressantes de cette nouvelle famille de filtres optiques nanostructurés. Nous avons notamment étudié des CRIGFs comportant un gradient de période qui ont permis pour la première fois d’obtenir un filtre CRIGF accordable. Pour finir, nous nous sommes attachés à étudier le potentiel de réalisation de filtres CRIGFs plus complexes et présentant plusieurs niveaux de corrugation.

Mots-Clés / Keywords
Nanoimpression; filtre à réseaux; lithographie à haute résolution; SNIL; CRIGF; Nanoimprint; Grating filter; High resolution lithography;

141853
16481
06/12/2016

Nouveaux concepts de filtres spectraux ultra-sélectifs pour spectroscopie embarquée

K.SHARSHAVINA

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Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 6 Décembre 2016, 174p., Président: V.PAILLARD, Rapporteurs: Y.JOURLIN, F.BAIDA, Examinateurs: A.TALNEAU, Directeurs de thèse: P.ARGUEL, A.L.FEHREMBACH , N° 16481

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01451002

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Abstract

Guided Mode Resonance Filters ( GMRF ) are a new generation of narrowband optical filters and are a very promising alternative to conventional multilayer Fabry-Perot filters. The resonance peak of GMRF can be spectrally extremely thin and with a centering wavelength tunable according to the angle of incidence of the light. These properties are particularly important for spectroscopy. Previous works have helped to implement an original structure with two 1D crossed gratings. The performance of this filter overpasses those of conventional filters in their spectral subnanometric response, tunability and their ability to overcome the influence of the polarization of the incident wave under oblique incidence. The aim of this work is to explore the final performances of such devices in terms of resolution and rejection rate, thanks to an approach combining theory, fabrication technology and characterization. We present experimental results of a polarization independent reflective filter, tunable over 40 nm with a tunability of 8.3 nm/, having a reflection of 10−3 on a 90 nm range outside the resonance and a quality factor over 5000.

Résumé

Les filtres spectraux à réseaux résonants, ou GMRF (Guided-Mode Resonance Filters), sont une nouvelle génération de filtres à bande étroite et constituent une alternative très prometteuse aux filtres conventionnels multicouches Fabry-Pérot. Le pic de résonance d’un GMRF peut être très fin spectralement et de longueur d’onde de centrage accordable en fonction de l’angle d’incidence. Ces propriétés sont particulièrement importantes pour la spectroscopie. Les travaux antérieurs ont permis de mettre en oeuvre une structure originale comportant deux réseaux 1D croisés. Les performances de ce filtre surpassent celles des filtres conventionnels par leur réponse spectrale subnanométrique, leur accordabilité, et leur capacité à s’affranchir de l’influence de la polarisation de l’onde incidente sous incidence oblique. Le but de ce travail est d’explorer les performances ultimes de ce type de dispositif en termes de résolution et taux de réjection, par une approche mêlant théorie, technologie et caractérisation. Nous présentons des résultats expérimentaux d’un filtre en réflexion indépendant de la polarisation, accordable sur 40 nm avec 8,3 nm/ d’accordabilité, ayant une réflexion de 10−3 sur une plage de 90 nm en dehors de la résonance et un facteur de qualité supérieur à 5000.

Mots-Clés / Keywords
Filtre optique; Filtre spectral; Bande-étroite; Réseau résonnant; Indépendance à la polarisation; Accordabilité spectrale; Résonance de mode guidée; Sub-longueur d’onde; Nanophotonique; Nanoimprint; Spectroscopie embarquée; Spectroscopie infrarouge; Caractérisation spectrale; Optical filters; Spectral filter; Narrow band; Resonant grating; Polarization independence; Tunability; Guided-mode resonance; Subwavelength; Nanophotonics; Embedded spectroscopy; Infrared spectroscopy; Spectral characterization;

138593
16475
05/12/2016

Nouvelles architectures de composants photoniques par l'ingénierie du confinement électrique et optique

G.LAFLEUR

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Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 5 Décembre 2016, 150p., Président: A.MLAYAH, Rapporteurs: B.PANICAUD, S.BARBAY, Examinateurs: J.JACQUET, Directeurs de thèse: S.CALVEZ, G.ALMUNEAU , N° 16475

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01449561

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Abstract

Optical and electrical confinement using Al(Ga)As layer oxidation is a key milestone in the fabrication of active and passive GaAs-based photonic components. To optimize those devices, through the control of the optical and electrical confinements, a better modelling of oxidation process and a better understanding of optical properties of aluminum oxide (AlOx) is required. One part of this work is focusing on a throughout experimental study of AlGaAs oxidation kinetics, where I studied different important parameters such as wafer temperature, gallium composition, atmospheric pressure and mesa geometry. Then, I developed a new predictive model taking into account the process anisotropy, thus allowing a better temporal and spatial of AlAs oxidation front evolution. Finally, I could exploit this technological process to realize whispering gallery mode microdisks as well as slot optical waveguides, and I have characterized this latter photonic devices.

Résumé

Le confinement électrique et optique par oxydation des couches minces d’AlGaAs est une étape essentielle dans la réalisation des composants photoniques actifs et passifs dans la filière de matériaux GaAs. La recherche de performances ultimes sur ces composants nécessite une meilleure maîtrise du procédé d’oxydation ainsi qu’une meilleure connaissance des propriétés optiques de l’oxyde d’aluminium (AlOx). Dans cette perspective, j’ai d’abord réalisé une étude expérimentale de la vitesse d’oxydation des couches d’AlGaAs en fonction de la température du substrat, de la composition en gallium des couches étudiées, de la pression atmosphérique et de la géométrie des mesas considérés. Puis, j’ai établi un modèle anisotrope permettant une meilleure résolution spatiale et temporelle de la forme du front d’oxydation de l’AlAs. Enfin, j’ai exploité ce procédé pour réaliser des composants d’optique guidée notamment des micro-résonateurs puis réalisé des guides optiques à fente et caractérisé leurs performances optiques.

Mots-Clés / Keywords
Semi-conducteurs III-V; Confinement optique; Oxydation humide d’AlGaAs; Micro-résonateurs à mode de galerie; Guide optique à fente; III-V semi-conductors; Wet oxidation of aluminum arsenide; Optical confinement; Whispering gallery mode microdisks; Slot waveguides;

138553
16329
13/10/2016

Etude des propriétés spectrales et spatiales de réflecteurs et coupleurs résonants

R.LABERDESQUE

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Doctorat : INSA de Toulouse, 13 Octobre 2016, 209p., Président: D.DRAGOMIRESCU, Rapporteurs: E.CENTENO, Y.JOURLIN, Examinateurs: A.BOUCHIER, P.FERON, T.GACOIN, Directeurs de thèse: H.CAMON, A.MONMAYRANT , N° 16329

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Abstract

The study is focused on the spectral and spatial properties of resonant grating structures. Resonant gratings in cavity are identified as structures allowing the fabrication of small-area and efficient reflectors and couplers. A model based on coupled mode theory has been developped, enabling fast modeling and design of this kind of structures. Thanks to this model we improved our understanding of the spectral and spatial properties of resonant gratings in cavity. In particular, we have established the relationship between the structure’s geometry and the spectral and spatial properties of the modes which efficiently interact with the structures when used as reflectors or as couplers. The design of coupling structures with high-quality factor and controlled spatial profiles on cm-sized surfaces has been studied. Two axis of research are presented : structures composed of several cavities and structures composed by one large cavity. The later ones allow a better control of the spatial properties both in intensity and phase. We demonstrate that these structures have a high potential for holography. Design of such structures with low contrast index is also considered, particularly the design and fabrication of polymer-based waveguiding structures.

Résumé

L’étude porte sur les propriétés spectrales et spatiales de structures à réseaux résonants. Les réseaux résonants en cavité sont identifiés comme des structures permettant la réalisation de réflecteurs et de coupleurs efficaces sur de petites dimensions. Un modèle basé sur la théorie des modes couplés a été développé permettant la modélisation et la conception rapide de ce type de structures. La modélisation a contribué à la compréhension des propriétés spectrales et spatiales de réseaux résonants en cavité. Elle permet notamment de faire le lien entre les propriétés spectrales et spatiales des modes pouvant interagir efficacement avec les structures utilisées comme réflecteurs ou coupleurs. La conception de structures couplantes à fort facteur de qualité et aux profils spatiaux contrôlés sur des surfaces de l’ordre du cm a été étudiée. Deux axes de recherches sont présentés : des structures composées de plusieurs cavités et des structures possédant une seule grande cavité. Ce dernier axe permet une plus grande maîtrise des propriétés spatiales en intensité et en phase. Il est démontré que ces structures ont un fort potentiel en holographie. La conception de telles structures avec des matériaux de bas indice est également abordée, en particulier la conception et la réalisation de guides d’onde en polymères qui sont la base de ces structures. Les dimensionnements déterminés par la modélisation sont compatibles avec des matériaux présentant de faibles sauts d’indice.

Mots-Clés / Keywords
Optique; Réseaux résonants; Coupleur; Réflecteur; Infrarouge; Modes couplés; Optic; Resonant gratings; Coupler; Infrared; Coupled modes;

137755
15341
11/09/2015

Diodes laser tout cristal photonique émettant à 2,3 µm sur substrat GaSb

B.ADELIN

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Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 11 Septembre 2015, 127p., Président: A.CAZARRE, Rapporteurs: P.CHRISTOL, B.DAGENS, Examinateurs: D.BARAT, Directeurs de thèse: O.GAUTHIER LAFAYE, A.MONMAYRANT , N° 15341

Lien : https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01215980

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Résumé

Les progrès récents des nanotechnologies permettent d'envisager de nouvelles générations de diodes laser. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'apport des cristaux photoniques bidimensionnels pour explorer la faisabilité d'un réseau monolithique de diodes laser tout cristal photonique émettant au voisinage de 2,3 µm en filière GaSb. Chaque laser doit répondre à un certain nombre de critères : - une émission monomode à une longueur d'onde stable et précise - une émission fine spectralement avec une puissance de sortie élevée - une longueur d'onde accordable, présentant aucun saut de mode sur la gamme d'accordabilité - un fonctionnement à température ambiante, sous pompage électrique et en régime continu. Ces critères répondent au cahier des charges de la technique de spectroscopie d'absorption à diodes laser accordables multiplexées (MTDLAS : Multiplexed Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy). La technique de MTDLAS est ici mise en œuvre pour les applications de détection de gaz dans le moyen infra-rouge (MIR), soit la gamme de longueur d'onde allant de 2 à 5 µm. Cette gamme de longueur d'onde présente plusieurs fenêtres de transparence (autour de 2,3 µm et de 3,4 à 4 µm) où l'absorption par la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone est très faible. L'existence de ces fenêtres est mis à profit pour la détection de molécules gazeuses de l'atmosphère, telles que le monoxyde de carbone ou le méthane. Pour mes travaux de thèse, la longueur d'onde d'émission laser retenue est de 2,3 µm. Cette longueur d'onde correspond à la fenêtre de transparence pour la détection notamment du CH4, du CO et du HF. Ainsi, ce mémoire présente la conception de diodes laser tout cristal photonique, et le développement d'un procédé de fabrication de ces diodes lasers, qui a mené à la réalisation, actuellement en cours, d'une série de composants. Nous montrons qu'une déformation de la maille photonique, associée à une optimisation de la largeur du guide, permet d'obtenir un fonctionnement monomode stable. Se basant sur ce principe, plusieurs géométries de mailles de cristaux photoniques ont été étudiées. Puis, nous nous attachons à lever le verrou technologique de la gravure profonde à fort rapport d'aspect dans les alliages AlGaAsSb. Pour cela, nous présentons des études paramétriques de gravure, conduisant à la mise au point d'un procédé optimisé de gravure profonde. Des profondeurs de gravure de 3,4 µm pour des trous de 370 nm de diamètre, soit un rapport d'aspect de plus de 9, ont ainsi pu être atteintes. Cette étape critique de gravure a été insérée dans un procédé technologique de fabrication de diodes laser tout cristal photonique, que nous avons mis au point. La réalisation d'une série de composants est actuellement en cours.

Abstract

Recent advances in nanotechnology allow considering new generations of laser diodes. The purpose of this thesis is to study the contribution of two‐dimensional photonic crystals to design and fabricate a monolithic array of laser diodes emitting near 2.3 μm in GaSb system. Each laser in the array has to respond to stringent criteria : a stable and precisely predefined single‐mode emission wavelength, high output power, tunable wavelength with no mode hopping over the tunability range. Moreover, such device should operate at room temperature, under electrical pumping and continuous regime. These criteria respond to the specifications of the technique of Multiplexed Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (MTDLAS). The MTDLAS technique is here implemented for gas sensing applications in the Mid‐wavelength infrared (MidIR), corresponding to the wavelength range from 2 to 5 microns. This wavelength range contains two transparency windows (around 2.3 μm and from 3.4 to 4 μm), where the absorption by water vapor and carbon dioxide is reduced. The existence of these windows is harnessed for the detection of gaseous molecules in the atmosphere, such as carbon monoxide or methane. For my thesis work, the chosen wavelength of laser emission is 2.3 μm. This wavelength corresponds to a transparency window allowing detection of CH4, CO and HF. This dissertation presents the design of all photonic crystal laser diode, and the development of a manufacturing process of such device, which led to the production of a set of components. We show that the engineering of the photonic lattice combined with an optimization of the width of the laser waveguide provide stable, single‐mode emission operation. Based on this principle, several geometries for photonic crystal lattice were studied. Then we tackle the technological challenge of deep etching with high aspect ratio in AlGaAsSb alloys. For this, we present parametric studies of etching, leading to the development of an optimized process for deep etching. We succeed to etch holes of 370 nm diameter and 3.4 μm depths, corresponding at an aspect ratio in excess of 9. We have developed a technological manufacturing process of all photonic crystal laser diodes, where this critical etching step has been successful inserted. This led to the realization of a set of components.

Mots-Clés / Keywords
Diodes laser; GaSb; Gravure ionique réactive; Laser à cristaux photoniques; Laser à semiconducteur; Nanophotonique; Cristaux photoniques; Laser diodes; Reactive ion etching; Photonic crystals laser; Semiconductor lasers; Nanophotonics; Photonic crystals;

135314
15274
08/06/2015

Ingénierie des lasers à solide utilisant des nouveaux matériaux semiconducteurs

S.CALVEZ

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Habilitation à diriger des recherches : 8 Juin 2015, 144p., Président: H.MAILLOTTE, Rapporteurs: A.BARTHELEMY, A.RAMDANE, E.TOURNIE, Examinateurs: A.MLAYAH, Directrice de thèse: F.LOZES-DUPUY , N° 15274

Diffusable

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Abstract

In this manuscript are described the research activities I have lead and intend to pursue on the development of advanced solid-state lasers which exploit novel semiconductor materials. More specifically, the summarised activity essentially concerns the work which I have carried out at the University of Strathclyde on vertical-(extended)-cavity surface emitting lasers and semiconductor optical amplifiers using dilute nitride alloys, on the development of semiconductor saturable absorber mirrors used in novel remotely-controlled femtosecond pulse sources operating in the 1,2 à 2,2 μm wavelength band, and on the use of diamond in lasers including for heat dissipation, as a material for optical passive elements. Finally, the work I have initiated since 2012 at LAAS is presented. It concerns the development of whispering-gallery-mode resonators and sub-wavelength gratings, elements intended to be used as the heart of a new generation of integrated optical parametric oscillators.

Résumé

Ce manuscrit décrit les contributions que j’ai pu apporter et que je compte mener dans le domaine de recherche portant sur le développement de sources lasers à solide exploitant nouveaux matériaux semiconducteurs. Plus spécifiquement, je résume l’activité menée à l’University de Strathclyde sur les lasers à cavité verticale (étendue) émettant par la surface et les amplificateurs optiques à base de nitrures dilués, le développement de miroirs à absorbant saturable controlables pour les oscillateurs femto-secondes fonctionnant dans la gamme de longueurs d’onde allant de 1,2 à 2,2 μm ainsi que les travaux sur l’utilisation évolutive du diamant dans les lasers pour des fonctions de dissipation thermique ou d’utilisation en tant qu’élément d’optique passive. Enfin, je présente les travaux initiés depuis 2012 au LAAS qui portent sur les résonateurs à modes de galerie et les réseaux sub-longueur d’onde et dont la finalité est la réalisation d’oscillateurs paramétriques optiques tout intégrés.

Mots-Clés / Keywords
lasers à cavité verticale (étendue) émettant par la surface; Absorbants saturables; Conversion de fréquences; Nitrures dilués; Diamant; Antimoinures; Résonateurs à modes de galerie; Réseau sub-longueur d’onde; Oscillateurs paramétriques optiques; Vertical-(extended)-cavity surface emitting laser; Saturable absorbers; Nonlinear frequency conversion; Dilute nitrides; Diamond; Antimonides; Whispering-gallery-mode resonators; Sub-wavelength gratings; Optical parametric oscillators;

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