6. Optique non linéaire
6.1.2. La photonique SiN pour l’optique non linéaire
Comme mentionné dans l’introduction de cette thèse, le nitrure de silicium est un matériau intéressant pour l’étude d’effets optiques non linéaires. En effet, il propose un bon compromis entre les différentes propriétés nécessaires pour l’optique non linéaire :
- un fort confinement des modes optiques - un bon coefficient non linéaire
- une absorption non linéaire négligeable aux longueurs d’onde télécom - des pertes de propagation réduites, typiquement inférieures à 1dB/cm
Plus concrètement, les guides SiN ont une section relativement restreinte (700*600nm) ce qui va minimiser l’aire effective Aeff (voir chapitre III) des modes guidés. Ainsi, à puissance de laser égale, les champs électriques obtenus seront beaucoup plus forts, maximisant le rendement des effets non linéaires. Le SiN possède également un coefficient non linéaire n2 relativement élevé (en proche infrarouge) ainsi qu’une absorption TPA non linéaire (Two Photon Absorbtion), définie via le coefficient βTPA, négligeable. Pour faciliter la comparaison entre les différentes plateformes, on utilise généralement deux figures de mérite qui regroupent ces paramètres :
𝛾 = 2𝜋𝑛2
𝜆𝐴𝑒𝑓𝑓, 𝐹𝐷𝑀 = 𝑛2
La première, γ, rend compte de « l’efficacité non linéaire » du guide d’onde. Plus n2 sera grand et Aeff faible, plus l’efficacité des processus non linéaires au sein du guide sera élevée. La seconde, FDM, établi le rapport entre le coefficient non linéaire n2 et l’absorption non linéaire βTPA. Une valeur de FDM élevée traduit donc une plateforme efficace et non sujette à l’absorption non linéaire. En plus de ces deux figures de mérite, un dernier paramètre doit être pris en compte : les pertes de propagation. En effet, même si une plateforme présente une efficacité non linéaire limitée, des pertes de propagation faibles pourront permettre de travailler avec des guides de grande longueur. De plus, comme mentionné précédemment, l’utilisation de structures résonantes permet d’augmenter fortement l’intensité optique. Or, avec des pertes de propagation réduites, ces structures résonantes peuvent atteindre des facteurs de qualité extrêmement élevés (>million), réduisant ainsi les puissances optiques nécessaires pour générer des effets non linéaires.
Le tableau (8) regroupe ces paramètres pour les plateformes photoniques intégrées les plus répandues dans la littérature pour l’optique non linéaire. Historiquement, les premières études d’ONL en optique guidée ont été réalisées avec des fibres optiques hautement non linéaires (HNLF). Elles possèdent un coefficient γ relativement faible, mais l’absence d’absorption à deux photons, et les pertes de propagation remarquablement faibles, en font une plateforme intéressante. La silice a également été utilisée pour fabriquer des guides optiques intégrés, mais la faible efficacité non linéaire du matériau rend cette solution moins attractive comparée à d’autres plateformes. On peut tout de même noter que les verres dopés, dits Hydex, sont une alternative intéressante car ils possèdent un coefficient 20 fois plus élevé que celui de la silice.
Aeff (µm2) n2 (m2/W) βTPA (cm/GW) γ ((W·m)-1) FDM Pertes (dB/m) REF Fibre HNLF 9 2,6·10-20 négligeable 0,0117 >>1 0,00086 [207] Silice ~9 2,6·10-20 négligeable ~0,01 >>1 nd [208] Hydex 2 1,1·10-19 négligeable 0,22 >>1 6 [209] Ge11,5As24Se64,5 0,24 8,6·10-18 0,009 136 60 260 [210] AlxGa1-xAs 0,72 2,3·10-17 négligeable - 3,3c 129 >>1 – 0,44 150 [211] c-Si ~0,08 6,3·10-18 ~0,614 ~400 0,66 200a [212] a-Si 0,07 2,1·10-17 0,25 1200 5,4 450 [213] SiN 0,7 2,4·10-19 négligeable 1,4 >>1 50b [214]
Tableau 8, Comparaison des plateformes photoniques les plus répandues pour l’optique non linéaire via les principales
figures de mérite γ, FDM calculées à partir du coefficient non linéaire n2, de l’aire effective Aeff et du coefficient TPA βTPA. ND : non disponible, a valeur estimée, b valeur de [215] , c selon la stœchiométrie du matériau.
Une autre famille de matériau, les chalcogénures sont particulièrement intéressants. Ils possèdent un contraste d’indice modéré (△n=1,15), ce qui permet de confiner fortement le mode tout en maintenant de faibles pertes de propagation. De plus, ils possèdent un coefficient non linéaire relativement élevé ce qui en fait une plateforme particulièrement performante.
Cependant, l’arsenic qui rentre dans la composition de certains chalcogénures, ainsi que la faible stabilité dans le temps, limitent le développement de cette plateforme dans le cadre d’applications de masse. Les guides en matériaux III-V ont également été utilisés pour l’optique non linéaire car ils possèdent une non linéarité élevée. Cependant, elle résulte d’un compromis avec l’absorption non linéaire qui peut apparaitre selon la stœchiométrie (et donc le gap) du matériau.
Figure 89, (a) Caractérisation expérimental de l’absorption a deux photons dans des guides en silicium (longueur 6cm),
à une longueur d’onde de 1550nm et pour un signal de polarisation TE. (b) Illustration du phénomène d’absorption à deux photons.
Mis à part les guides en silice précédemment mentionnés, de nombreuses études ont également été effectuées sur la plateforme photonique SOI. Le silicium cristallin (c-Si), possède en effet un coefficient non linéaire particulièrement élevé, et son fort contraste d’indice permet un confinement extrême des modes optiques. Cependant, comme on peut le voir figure 89(a), le silicium cristallin souffre d’absorption non linéaire à deux photons particulièrement élevée. Les courbes représentent la puissance de sortie en fonction de la puissance injectée pour différentes géométries de guides d’ondes de la plateforme SOI. Ces mesures ont été effectuées en polarisation TE et à une longueur d’onde de 1550nm à l’aide d’un amplificateur à erbium (EDFA). Les pertes de couplage ainsi que les pertes de propagation ont été soustraites. A faible puissance, la relation entre la puissance à l’entrée et à la sortie est linéaire. Cependant, à partir d’un certain seuil, une saturation apparait à cause de l’absorption à deux photons et des porteurs qui sont générés. L’absorption linéaire se produit lorsqu’un photon possède une énergie supérieure ou égale à celle du gap (voir figure 89(b)). Dans le cas du silicium, cela correspond à une longueur d’onde inférieure à environ 1100nm, et il n’y a donc pas d’absorption linéaire aux longueurs d’onde télécoms dans le silicium. Cependant, si la densité de puissance optique est suffisante, l’absorption à deux photons apparait (voir figure 89(b)). Deux photons vont être absorbés simultanément, divisant l’énergie nécessaire pour chaque photon par deux. Ainsi, la TPA sera présente pour des
longueurs d’onde en dessous de 2200nm. On peut noter que ce phénomène est renforcé par le très fort confinement optique dans les guides SOI. L’utilisation de diodes p-i-n polarisées en inverse afin d’évacuer les porteurs photo-générés permet de limiter l’impact de ce phénomène, mais la puissance optique disponible reste tout de même très faible. Une alternative possible consiste à utiliser du silicium amorphe (a-Si). Comme on peut le voir tableau (8), le coefficient d’absorption non linéaire est sensiblement réduit comparé au silicium cristallin, mais les pertes de propagation de ce matériau sont élevées. Parmi toutes ces plateformes, la plus répandue dans la littérature reste probablement celle à base de SiN. Avec un contraste d’indice modéré, l’aire effective des modes est donc relativement petite sans pour autant souffrir de pertes de propagation importantes. Le coefficient non linéaire est environ dix fois plus élevé que celui de la silice. De plus, le fort gap de ce matériau supprime toute absorption à deux photons aux longueurs d’onde télécoms.
Le SiN semble donc être une solution intéressante pour le développement de l’optique non linéaire intégrée, et il a d’ailleurs été largement adopté par la communauté. En faisant un compromis entre le confinement et les pertes de propagation, il est maintenant possible d’observer des phénomènes non linéaires avec des lasers dont la puissance est de l’ordre du milliwatt. La plupart des plateformes SiN pour l’optique non linéaire sont à base de dépôts LPCVD [27], [216]–[222]. En effet, comme expliqué dans le chapitre II de ce manuscrit, ce matériau présente d’excellentes performances optiques. Cependant, il semble compliqué à intégrer à cause du stress élevé présent dans le film ainsi que des températures de dépôt typiquement supérieures à 700°C. Les plateformes SiN PECVD pour l’ONL sont en revanche peu nombreuses dans la littérature [223]–[225]. Les performances non linéaires du circuit SiN développé durant cette thèse ont donc été évaluées. Il s’agit d’une étude préliminaire centrée sur la génération de troisième harmonique et de supercontinuum. Le banc de caractérisation sera tout d’abord présenté, puis les résultats obtenus seront exposés.