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Antoine Salomon

Cristaux photoniques bidimensionnels en SOI et leur couplage avec un miroir de Bragg

Publié le 2 janvier 2007


Thèse soutenue en 2007 pour obtenir le grade de docteur de l'Université Joseph Fourier – Grenoble 1 - Spécialité : Physique

Résumé :
Analogues aux cristaux électroniques, les cristaux photoniques sont des matériaux diélectriques dont l'indice optique est modulé. Comme en électronique, où la variation périodique du potentiel structure la dispersion énergétique des électrons, cette modulation de l'indice structure la dispersion en énergie des photons. Il est alors possible de contrôler ces derniers en leurs interdisant des bandes de fréquences et certaines directions. De plus, de part leur forte intégration ainsi que leur compatibilité de fabrication avec la filière silicium, les Cristaux photonique en Silicium sur Isolant (SOI), disposent d'un fort potentiel pour la mise au point d'une future électro-photonique intégré sur silicium. Dans ce contexte, ce travail s'attache à l'étude de sources optiques à cristaux photoniques en SOI et plus particulièrement au couplage entre une source à cristal photonique bidimensionnel et un miroir de Bragg. Dans un premier temps nous nous intéressons aux aspects théoriques et technologiques des cristaux photoniques. Nous abordons les principes physiques de la structure de bande photonique afin de cerner les modes de fonctionnement ainsi que les propriétés des cristaux photoniques pour ensuite décrire, les moyens de fabrication et de caractérisation optique. Dans un deuxième temps nous nous attaquons à l'étude de cristaux photoniques bidimensionnels pour l'extraction de lumière. Au cours de cette étape nous mettons en évidence que le couplage de désexcitations radiatives avec de modes optiques de cristaux photoniques permet de nettement améliorer l'extraction lumineuse. En exploitant des modes de cavités, des modes lents et une combinaison astucieuse des deux, nous présentons la mise au point de sources optiques à 1,1 µm. Ces résultats concordent avec les calculs par la méthode des ondes planes des diagrammes de bande correspondant. Enfin nous étudions le couplage entre cristaux photoniques bidimensionnels et miroir de Bragg. Nous nous intéressons spécialement au rôle de la distance de couplage entre le miroir et le cristal sur les propriétés d'extraction et du facteur de qualité (Q). Après avoir développé un montage original permettant de moduler cette distance sur quelques micromètres, nous montrons que les deux quantités précédentes en sont des fonctions périodiques de période λ/2. Les résultats obtenus montrent aussi une augmentation de l'extraction lumineuse et du Q par rapport à ceux de cristal seul. Ces mesures expérimentales sont en adéquation avec de calculs FDTD bidimensionnel. Nous terminons cette étude par la présentation de premières structures associant un cristal photonique avec deux miroirs de Bragg.

Sous la direction de Noël Magnéa.

Mots clés :
Microcavité, Miroir de Bragg, SOI, Modes lents, Cristaux photoniques