Les micro-résonateurs à mode guidé

Les micro-résonateurs présentés précédemment supportent les modes de galeries, leur transmission spectrale est complexe et peut être perturbée par les autres modes de propa- gation. Pour la détection, il est plus simple d’utiliser des dispositifs dans lesquels un seul mode se propage. Les micro-résonateurs à mode guidé peuvent être optimisés afin d’avoir un seul mode de propagation. Les micro-résonateurs optiques intégrés à mode guidé les plus étudiés sont les micro-résonateurs en forme d’anneau et d’hippodrome.

1.3.2.1 Différentes formes de cavité

Un micro-résonateur en forme d’hippodrome est constitué d’une cavité résonante cir- culaire de rayon R couplée à un guide d’onde dit d’accès comme représenté sur la figure 1.11a ; la lumière peut être extraite de la cavité par le biais d’un deuxième guide d’onde dit d’extraction comme représenté sur la figure 1.11b. Les deux guides sont séparés par un gap g. La cavité résonante du micro-résonateur peut aussi être en forme d’anneau, dans ce cas, la portion rectiligne de longueur Lc, appelée longueur de couplage, est nulle.

Figure 1.11 – Différentes structures : un micro-résonateur en forme d’hippodrome (a) couplé à un seul guide et (b) couplé à deux guides.

1.3.2.2 Différents types de couplage

Le principe de fonctionnement du micro-résonateur se base sur le couplage de la lumière entre les guides d’onde et la cavité résonante. Pour la conception du micro-résonateur, il existe différentes configurations pour réaliser ce couplage telles que le couplage horizontal ou le couplage vertical ; elles sont représentées sur la figure 1.12a et b respectivement.

Figure 1.12 – Différents types de couplage : (a) Couplage horizontal ; (b) Couplage vertical pour un micro-résonateur couplé à un seul guide.

Dans le cas d’un couplage horizontal, les guides d’onde d’accès et éventuellement d’ex- traction se situent dans le même plan horizontal que la cavité résonante. Cela signifie qu’ils sont généralement fabriqués à partir du même matériau lors d’une même étape de masquage du procédé de fabrication. Le couplage horizontal impose un contrôle précis du gap g, souvent inférieur au micromètre, dans la zone de couplage ; ce qui est un défi en ma- tière de fabrication technologique avec la résolution en photolithographie classique. Pour atteindre des gaps en dessous de 0,5 µm, d’autres techniques sont utilisées comme la pho- tolithographie électronique [147], la nano-impression [148], la lithographie par projection [149] ou encore en utilisant des UV profonds [150].

En utilisant un micro-résonateur en forme d’hippodrome, qui se rapproche d’un micro- résonateur en forme d’anneau à la seule différence qu’il possède un guide droit rectiligne, appelé longueur de couplage, au niveau de la zone de couplage, il est possible de contourner la limitation en résolution. En effet, la valeur du taux de couplage dépend, notamment, du gap et de la longueur de couplage. Plus le gap est étroit, plus la valeur du taux de couplage augmente. Cependant, dans le cas d’un couplage horizontal, il est difficile d’atteindre un gap inférieur à 0,5 µm. En utilisant une longueur de couplage adaptée, il est possible d’atteindre un taux de couplage équivalent à celui obtenu avec un gap faible, mais avec un gap plus large, facilitant ainsi le procédé de fabrication.

Au niveau de la zone de couplage, les guides d’onde d’accès et d’extraction sont prin- cipalement rectilignes, cependant d’autres configurations ont été étudiées pour optimiser le couplage entre les guides d’onde : couplage concentrique ou papillon [151], [152] ou encore, en utilisant non plus le couplage évanescent mais un couplage MMI (de l’anglais,

Multi-Mode Interference) où les guides d’accès et d’extraction se confondent avec la ca-

vité résonante ; ce qui permet de relâcher les contraintes de fabrication, et de diminuer la sensibilité aux variations de longueur d’onde et de polarisation [153]. Lors de nos travaux, les micro-résonateurs réalisés sont couplés horizontalement.

Dans le cas d’un couplage vertical, les guides d’accès et d’extraction se situent au- dessus ou en-dessous de la cavité résonante. Dans le cas où ils sont en-dessous, ils sont réalisés sur la couche de confinement inférieur, puis sont recouverts d’une couche de confi- nement (avec un matériau d’indice de réfraction semblable ou différent de la première),

et dont l’épaisseur équivaut à la valeur du gap souhaité. La cavité résonante est ensuite alignée et réalisée au-dessus de la couche de confinement et des guides d’accès et d’ex- traction (inversement si ceux-ci se situent au-dessus de la cavité). Le choix des matériaux et les dimensions géométriques des guides d’onde peuvent être différents pour les guides d’onde d’accès et d’extraction et la cavité résonante, donnant plus de choix possibles dans la conception des micro-résonateurs. Il n’y a plus de contraintes sur la résolution laté- rale, critique dans le cas d’un couplage horizontal, puisque les guides mono-modes sont de l’ordre du µm, résolution facilement réalisable pour des techniques de photolithographie standards. De plus, les gaps réalisés sont plus faibles grâce à l’utilisation de procédé précis de dépôt de film, ce qui permet d’obtenir un couplage optimal entre la cavité résonante et les guides d’accès et d’extraction. En outre, ce type de couplage présente un avantage pour les applications capteurs puisque, dans le cas où la cavité résonante est au-dessus, elle est exposée, seule, au milieu de détection ce qui permet de limiter les interactions avec les guides d’accès et d’extraction et de favoriser la mise en place d’un système micro- fluidique. Cependant le couplage vertical nécessite des dispositifs avec des configurations plus complexes et de nombreuses étapes lors du procédé de fabrication multi-couches. Par exemple, lors du dépôt de la couche de confinement sur le premier guide réalisé, une sur-épaisseur apparaît et doit être planarisée précisément pour maintenir l’épaisseur du gap souhaitée.