C ARACTERISATION PAR SPECTROSCOPIE DE PHOTOLUMINESCENCE 1.54 µm 1.1 µm

neff FSR (nm) neff FSR (nm) TE0 3.12 80 3.28 39 TE1 1.76 143 2.42 53 TM0 2.7 93 3.09 41 TM1 1.48 170 1.74 74

Tableau 5-3 : indices effectifs des différents modes d'une couche de silicium de 300 nm d'épaisseur pour deux longueurs d'onde. Le FSR calculé correspond à celui des modes de galerie d'ordres axial et

radial fondamentaux d'un disque de 3 µm de diamètre

Les facteurs de qualité mesurés, entre 2500 et 3000 pour les plus élevés, sont 20 à 30 fois supérieurs à ceux mesurés sur les disques de 150 nm d'épaisseur. On constate donc l'importance du design des disques pour l'obtention de modes de galerie : l'augmentation de l'épaisseur du disque et de la couche d'isolation de silice a permis une augmentation des performances de plus d'un ordre de grandeur.

Par ailleurs, la comparaison entre les mesures en transmission et en photoluminescence sur les mêmes disques met en évidence des facteurs de qualité du même ordre. En revanche, le nombre de modes observé est bien plus important en actif qu'en passif : sur un intervalle spectral de 100 nm, on observe 20 modes en actif contre 2 seulement en passif. La prise en compte de la sélection de la polarisation TE en passif et de l'augmentation d'un facteur 2 du FSR pour les modes TE0 en changeant de longueur d'onde ne nous donne théoriquement qu'un rapport 4 entre le nombre de modes observés en actif et en passif. Il est donc probable que la méthode d'excitation par couplage évanescent permette de n'exciter qu'une partie des modes de galerie, comme cela a été constaté pour le couplage par taper à des sphères de silice [105]. Etant donné le libre parcours moyen des porteurs élevé dans le silicium, la méthode d'excitation active est au contraire particulièrement peu sélective du point de vue de l'excitation des modes : les paires électron-trou créées sont libres de se recombiner n'importe où dans le disque et le recouvrement entre les modes de galerie et l'émetteur n'est donc jamais nul.

L'observation du couplage de la luminescence du silicium à température ambiante à des modes de galerie à grand facteur de qualité est un résultat particulièrement encourageant pour la réalisation de sources tout silicium. Par ailleurs, nous avons démontré sur des disques SOI l'hypothèse faite au chapitre précédent à propos du couplage aux modes de disques ou tores de silice : l'excitation par une onde guidée permet de limiter le nombre de modes excités là ou l'utilisation d'une source interne les excite en quasi totalité.

Conclusion

Nous avons décrit dans ce chapitre d'une part l'intégration de disques SOI avec des guides rubans, d'autre part le couplage de l'émission du silicium à température ambiante à des modes de galerie de disques SOI.

La réalisation de filtres réjecteurs et add-drop à partir de disques SOI montre qu'il est possible d'associer ces cavités à des structures guidantes pour la lumière en conservant des propriétés compatibles avec l'obtention d'effets CQED. Le couplage fort entre les modes du guide et ceux du

disque a pu être observé en passif, avec des facteurs de qualité atteignant des valeurs de près de 105.

Par ailleurs, nous avons observé le couplage de l'émission du silicium à température ambiante à des modes de disques présentant des facteurs de qualité de 3000 environ, limités par la résolution du montage, sur des disques de 3 µm de diamètre à peine. La comparaison entre des échantillons réalisés à partir de SOI d'épaisseurs différentes montre l'importance de la conception des structures pour l'obtention de caractéristiques satisfaisantes. Les disques ayant donné les meilleurs résultats en actif ne sont d'ailleurs pas conçus à l'origine pour fonctionner à 1,1 µm, et on peut espérer une amélioration des performances sur des structures dédiées, en particulier concernant la réduction du nombre de modes supportés par la cavité. Nous avons également montré que, comme nous le suggérions au chapitre précédant à propos de l'excitation de microdisques/tores de silice, le couplage d'une onde guidée permet de limiter le nombre de modes excités par rapport à une excitation directe en source interne.

La largeur de l'émission du silicium limite les effets de la cavité susceptibles d'améliorer son faible rendement. Cependant, l'observation d'émission d'un film de silicium à température ambiante est particulièrement encourageante. Ce résultat associé aux perspectives ouvertes par le travail effectué sur l'amélioration des rendements de luminescence du silicium (par l'utilisation de dislocations [10], de structuration du matériau [132, 133], par dopage ...) laisse entrevoir des possibilités quant à la réalisation de sources intégrées efficaces à partir de cavités microdisques. Par ailleurs, nous avons montré au troisième chapitre de cette thèse qu'il était possible d'obtenir de la luminescence d'erbium implanté dans des films de SOI. L'utilisation de terres rares excitées par l'intermédiaire du silicium peut permettre d'envisager l'observation puis l'utilisation d'effets CQED sur cet émetteur ponctuel à faible largeur spectrale intégré dans des cavités couplées à des guides. Enfin, l'expérience tirée de la microélectronique permet d'envisager l'injection électrique directement dans la cavité, ouvrant la voie vers la réalisation de modulateurs ou de sources pompées électriquement.

Ce travail de thèse a été l'occasion de démarrer au laboratoire SiNaPS du CEA- Grenoble une activité sur les cavités à modes de galerie, microdisques et microtores, compatibles silicium. Il a fallu pour cela développer un certain nombre de savoirs faire, au sein même du laboratoire ou en collaboration étroite avec les équipes de l'IMEP et du Laboratoire Kastler Brossel.

Nous avons tout d'abord dû maîtriser et adapter à nos besoins les outils technologiques nécessaires à la fabrication de microdisques de silice et de silicium. Une collaboration avec le Laboratoire Kastler Brossel nous a permis de mettre à profit leur savoir faire concernant la fusion de sphères de silice et de l'adapter à la fusion de disques pour la fabrication de microtores. Par ailleurs, la collaboration avec l'équipe de l'IMEP nous a permis de concevoir au mieux nos structures, réalisées par nos soins mais également au LETI sur des équipements industriels. Grâce à ce travail commun, nous avons amené nos réalisations à l'état de l'art international en fabriquant des microtores de silice et des structures à microdisques de silicium couplées à des guides possédant de très hauts facteurs de qualité.

Nous avons également élaboré un matériau capable d'émettre à 1,5 µ m à température ambiante utilisant une matrice de nanoclusters de silicium amorphes dopée à l'erbium. Ce matériau est réalisé par une technique simple d'évaporation sous vide dont les paramètres sont contrôlés afin d'obtenir de l'erbium le signal de luminescence le plus intense possible. L'intégration de ce matériau à nos cavités de silice a été effectuée avec succès, et démontrée par des études en photoluminescence résolue spatialement à l'échelle du micron.

Il a pour cela fallu développer un banc de mesure spécifique permettant de prendre en compte la géométrie d'émission des cavités à modes de galerie. Ce banc permet une excitation et une détection localisées et indépendantes autorisant une caractérisation précise des modes de disques ou de tores.

Ces efforts ont abouti à la démonstration de plusieurs effets :

• Couplage de l'émission du SRO:Er à des modes de galerie de disques puis de tores à température ambiante

• Fonctionnalisation reproductible de microdisques de silice au moyen de nanocritaux II-VI et démonstration du couplage de leur émission aux modes de galerie

• Couplage de l'émission de silice implantée Néodyme à des modes de galerie de tores

• Observation du couplage d'un ou deux disques de silicium à des guides rubans et démonstration d'un filtre add drop intégré sur silicium

• Observation du couplage de l'émission d'un film de silicium sur isolant aux modes de galerie d'un disque

Ces résultats sont un début encourageant au travail nécessaire à la réalisation de sources intégrées sur silicium. On peut distinguer deux axes d'étude à développer.

Concernant les disques et tores de silice, la faisabilité de l'intégration de différents émetteurs ayant été démontrée, il reste à optimiser les techniques de couplages à ces cavités afin d'en extraire tout le potentiel. En effet, les facteurs de qualité extrêmes de ces cavités dépassent largement les possibilités de la spectroscopie infrarouge classique. L'un des moyens de contourner cette limite consiste à employer pour la caractérisation de ces cavités un système de couplage par onde évanescentes, en utilisant par exemple des "tapers" de fibre optique monomode. L'emploi d'une telle technique devrait permettre rapidement la détermination des facteurs de qualité des cavités par des mesures en spectroscopie laser en transmission de largeurs de résonance ou de temps de déclin d'intensité stockée intra-cavité.

Cette technique peut être également utilisée comme source d'excitation d'un émetteur tel que le néodyme ou l'erbium intégré à la cavité. Dans ces conditions, il doit être possible de sélectionner efficacement les modes excités contribuant ainsi à canaliser la pompe dans le mode d'intérêt. Une telle méthode devrait permettre l'obtention de l'effet laser sur les tores de la même manière qu'il a pu par le passé être obtenu pour les sphères dopées néodyme. L'obtention de l'effet laser sur le SRO:Er reste conditionné par l'existence de gain pour ce matériau, qui n'a à ce jour pas été formellement démontrée. Une expérience de mesure de gain est en cours de montage au laboratoire dans ce but.

Par ailleurs, les résultats obtenus sur le couplage de l'erbium aux modes de galerie, et en particulier l'observation d'une modification du contraste des modes de galerie avec le diamètre du disque suggèrent un fort potentiel de ces cavités pour l'observation d'effets CQED. La réduction de la taille des cavités et les mesures en durée de vie à très basse température devraient donc permettre l'observation de l'effet Purcell sur les terres rares dans un avenir proche. Les perspectives à plus long terme concernent la possibilité de couplage de microtores à des guides intégrés sur silicium et le pompage électrique de telles structures. Ces deux étapes indispensables à la réalisation de sources intégrées par cette voie sont freinées respectivement par le faible indice de réfraction et le caractère isolant du matériau utilisé. Il existe cependant des solutions à ces problèmes qui sont à explorer : l'utilisation de guides d'ondes de type ARROW isolés du substrat par une lame de silicium 1/4 d'onde [134] ; des essais de fabrication de tores à partir de matériau d'indice plus élevé tel que le nitrure de silicium...

La possibilité d'intégration des disques silicium avec des guides d'ondes est d'ores et déjà démontrée, et l'observation du couplage de l'émission du silicium dans les modes du disque à température ambiante est particulièrement encourageante. Reste à évaluer la possibilité de coupler la luminescence des disques de silicium vers les guides d'onde. Il peut être nécessaire pour cela d'augmenter le rendement de luminescence du matériau émetteur, en utilisant par exemple la nanostructuration ou le dopage dans le but de modifier la structure du silicium (boucles de dislocations) ou d'y intégrer un émetteur tel que l'erbium. Cette dernière solution peut d'ores et déjà être étudiée à basse température moyennant l'utilisation d'un cryostat adapté à l'étude

des disques. De plus, une amélioration des conditions d'insertion de l'erbium dans la matrice de silicium (par exemple en l'implantant dans du silicium massif avant report du film sur isolant) peut conduire à une émission à température ambiante. Dans ces conditions, et étant donné les caractéristiques spectrales de l'erbium en matrice cristalline, on peut espérer observer des effets tels que l'effet Purcell susceptible d'améliorer l'efficacité de telles sources.

On peut également dans cette technologie envisager le pompage électrique de ces cavités en tirant bénéfice des avancées techniques de la microélectronique dans le domaine. En association l'injection électrique à des dispositifs tels que ceux étudiés en transmission au cours de cette thèse, on peut espérer réaliser des sources pompées électriquement, mais également des modulateurs ou commutateurs en faisant varier l'indice du silicium par injection de porteurs.

Les perspectives de ce travail ne se limitent donc finalement pas aux seules sources intégrées, mais concernent au contraire un éventail assez large d'études fondamentales et d'applications pratiques pour la photonique silicium.

• "Efficient coupling of Er-doped silicon-rich oxide to microdisk whispering gallery modes", J. Verbert, F. Mazen, T. Charvolin, E. Picard, V. Calvo, P. Noé, J.-M. Gérard, and E. Hadji, Appl. Phys. Lett. 86, p.111117 (2005)

• "Room temperature emission from Er-doped silicon-rich oxide microtorus", J. Verbert, F. Mazen, T. Charvolin, E. Picard, V. Calvo, P. Noé, J.-M. Gérard, and E. Hadji, F. Orucevic, J. Hare, and, V. Lefèvre-Seguin, Eur. Phys. J. Appl. Phys. 34, p.81 (2006)

• "Silicon and Er3+ implanted SiO2 microdisks for optical interconnections",

J. Verbert, T. Charvolin, V. Calvo, E. Picard, E. Hadji, poster, conférence Minatec 2003, Grenoble, Septembre 2003

• "Microdisques silicium et SiO2 dopés erbium", J. Verbert, T. Charvolin, V. Calvo,

E. Picard, E. Hadji, K. Phan Huy, A. Morand, poster, Journées Nationales d'Optique Guidée, Valence, Novembre 2003

• "Room temperature measurement on SRO:Er based microdisk", J. Verbert, F. Mazen, T. Charvolin, P. Noé, D. Jalabert, V. Calvo, E. Picard, E. Hadji, poster, conférence E-MRS, Strasbourg, Mai 2004

• "Microdisques SiOx dopés erbium pour la réalisation de sources de lumière intégrées" J. Verbert, F. Mazen, T. Charvolin, E. Picard, V. Calvo, P. Noé, J.-M. Gérard, and E. Hadji, présentation orale, Journées Nanosciences et Nanotechnologies en Rhône-Alpes, Grenoble, Novembre 2004

• "Erbium-doped silicon-rich oxide microdisks and microtorus for silicon based integrated light sources" J. Verbert, F. Mazen, J.-M. Gérard and E. Hadji, F. Orucevic, J. Hare and V. Lefèvre-Seguin, K. Phan Huy, A. Morand and P. Benech, présentation orale, conférence 12th European Conference on Integrated Optics ECIO'05, Grenoble, Avril 2005

• "Room temperature operation of Er-doped silicon-rich oxide microcavities supporting high-Q whispering gallery modes", K. Phan Huy, A. Morand, P. Benech, F. Orucevic, J. Hare, V. Lefèvre-Seguin, J. Verbert, F. Mazen, P. Noé, E. Hadji, and J.-M. Gérard, présentation orale, SPIE Optics and Photonics 2005, San Diego (USA), Juillet 2005

• "Room temperature emission from Er-doped silicon-rich oxide microtorus", J. Verbert, F. Mazen, T. Charvolin, E. Picard, V. Calvo, P. Noé, J.-M. Gérard, and E. Hadji, K. Phan Huy, A. Morand, P. Benech, F. Orucevic, J. Hare, and V. Lefèvre-Seguin, poster, 2e conférence Group IV photonics, Anvers (Belgique), Septembre 2005

• "Compact add and drop and wavelenght filter based on microdisk on SOI substrate", A. Morand, K. Phan Huy, D. Amans, B. Martin, F. Bredillot, P. Benech, J. Verbert, E. Hadji, and J.-M. Fedeli, présentation orale, SPIE Photonic West, San Jose (USA), Janvier 2006

• "Ultra high quality factor silicon on insulator microdisk resonator characterized by optical near-field", I. Stefanon, S. Blaize, G. Lerondel, B. Martin, K. Phan Huy, D. Amans, A. Morand, P. Benech, J. Verbert, E. Hadji, et J.-M. Fedeli, présentation orale,