Nous venons de présenter les propriétés relatives aux caractéristiques de dispersion des cristaux photoniques, en particulier des cristaux photoniques 2D membranaires. Nous nous focalisons en particulier sur ceux constitués de réseaux de micropiliers ou microplots diélectriques. Dans ce type de structure, nous explorons les possibilités de réalisation de composants adressables par la surface. C’est pourquoi, nous étudierons les modes de Bloch situés au dessus du cône de lumière de la courbe de dispersion. En effet, ceux-ci ont la capacité de se coupler dans la direction verticale aux modes rayonnés. Parmi l’ensemble des modes de Bloch situés au dessus de la ligne de lumière, en particulier au point de la courbe de dispersion, nous distinguons deux catégories de modes :
– Les modes fortement résonants : l’étude de ce type de modes fera l’objet du prochain chapitre. Nous définirons les différentes sources de pertes dans un cristal photonique de dimensions finies supportant ce type de mode de Bloch. Cela nous permettra ensuite d’élaborer une stratégie de réduction de ces fuites par l’ingénierie de l’environnement de la structure (par modification graduelle de la géométrie du cristal photonique ou par l’ajout d’un miroir de Bragg sous la structure). Nous verrons qu’ainsi, de forts facteurs de qualité peuvent être obtenus dans des cristaux photoniques à réseaux de micropiliers supportant ce type de mode de Bloch, permettant d’envisager la réalisation de microlasers à émission verticale. Nous décrirons ensuite les étapes de fabrication des structures, dans une filière InP sur substrat de silicium. Nous démontrerons qu’un régime d’émission stimulée peut être atteint dans ces structures. Plusieurs méthodes de caractérisation (photoluminescence, champ lointain, champ proche) permettront d’étudier le fonctionnement d’un tel laser et de discuter de ces propriétés spécifiques.
– Les modes faiblement résonants, dont nous parlerons dans le chapitre 3. Dans ce chapitre, nous commencerons par décrire brièvement le mécanisme de réflexion sur un cristal photonique supportant des modes de Bloch ayant la capacité de se coupler verticalement aux modes rayonnés. Puis, nous décrirons la fabrication et la caractérisation de miroirs large bande en filière silicium sur substrat SOI. Nous étudierons également des microcavités constituées uniquement de miroirs à cristaux photoniques membranaires. Nous verrons que les propriétés de dispersion particulières de ces microcavités autorisent un fort confinement latéral du champ dans cette cavité. Les résultats de caractérisation des ces microcavités
1.6. Organisation du manuscrit
(fabriquées en collaboration avec le LETI-CEA) seront présentés. Nous discuterons enfin de la possibilité d’inclure un milieu à gain dans ces microcavités afin de réaliser un laser à microcavité et à émission par la surface ultra-compact, comparé aux VCSEL classiques constitués de miroirs de Bragg multicouches.
Ces composants, tous basés sur des cristaux photoniques à réseaux de piliers (ou parfois de tiges), doivent communiquer vers l’extérieur pour pouvoir être intégrés dans un circuit optique 3D. Nous aborderons cet aspect dans la seconde partie de ce manuscrit.
L’objet du chapitre 4 portera sur l’étude du diagramme de rayonnement de structures supportant des modes de Bloch au dessus du cône de lumière et les moyens d’actions, sur le cristal photonique lui-même ou son environnement, que l’on a pour modifier l’émission de la structure. Des résultats de simulation et expérimentaux viendront illustrer le propos.
Enfin, dans un dernier chapitre, nous décrirons le couplage entre un guide d’onde ruban et un cristal photonique exploitant un mode de Bloch au dessus du cône de lumière. Nous étudierons ce couplage pour deux types de composants particuliers :
– Un cristal photonique à réseau de pilier, supportant un mode de Bloch à forte résonance (ne se couplant pas en Γ aux modes rayonnés)
– Une microcavité à double cristaux photoniques. Nous verrons comment il est possible d’atteindre de très fortes efficacités de couplage. Nous montrerons que ce type de dispositif peut trouver sa place au sein de circuits photoniques intégrés.
Chapitre 2
Microlasers à émission par la surface :
exploitation de modes à fortes
résonances
Sommaire
2.1 Présentation du cristal photonique étudié . . . . 34 2.2 Modes de Bloch dans une structure de dimension finie : un peu de
formalisme . . . . 37 2.2.1 Cas de la structure infinie . . . . 37 2.2.2 Cas de la structure de taille finie . . . . 37 2.2.3 Dynamique du mode de Bloch dans une structure de taille latérale finie 40 2.2.4 Sources de pertes dans un cristal photonique de dimensions finies . . . . 40 2.3 Etude du facteur de qualité dans une structure de dimensions finies 41 2.3.1 Facteur de qualité du mode A1 dans un cristal photonique 2D uniforme 41 2.3.2 Facteur de qualité vertical . . . . 43 2.3.3 Etude des fuites latérales . . . . 44 2.4 Stratégies de confinement du mode de Bloch en Γ . . . . 46 2.4.1 Réduction des pertes latérales . . . . 46 2.4.2 Réduction des dimensions du puits . . . . 50 2.4.3 Réduction des fuites hors du plan . . . . 53 2.5 Réalisation expérimentale . . . . 56 2.5.1 Conception des structures . . . . 56 2.5.2 Description du procédé technologique sur substrat SOI ou miroir de Bragg 56 2.5.3 Description du banc de caractérisation de photoluminescence . . . . 61 2.5.4 Description du banc de champ proche optique . . . . 62 2.5.5 Résultats expérimentaux sur membrane InP+BQ sur substrat SOI . . . 63 2.5.6 Structures laser optimisées . . . . 67 2.6 Conclusion . . . . 82
D
ans ce chapitre, nous nous intéresserons aux modes de Bloch situés au point Γ de la courbe de dispersion qui présentent un faible taux de couplage avec les modes rayonnés. Particulièrement en ce point, ce couplage peut être parfaitement nul. Dans un cristal photonique infini, la durée de vie des photons est alors infinie. Pour des structures de dimensions latérales finies, la stricte localisation du vecteur d’onde dans le plan, k//, en Γ est relâchée et le mode peut alors subir des pertes hors du plan. Cependant, nous verrons que ces modes de Bloch présentent de forts facteurs de qualité pour des tailles de dispositifs relativement petites, généralement inférieures à 15µm. L’étude du confinement de tels modes dans des structures à cristal photonique 2D sera abordée à travers l’étude de leurs pertes verticales et latérales dans des réseaux de dimensions latérales finies. Cela nous permettra de dégager les paramètres régissant le confinement du mode dans la structure de dimensions finies, puis d’élaborer une stratégie visant à améliorer ce confinement, vers des tailles de composants toujours plus compactes, tout en conservant des facteurs de qualité élevés. Il s’agira dans un premier temps de modifier l’environnement du cristal photonique 2D, soit dans le plan, par une modification graduelle de sa géométrie, soit verticalement par l’ajout d’un miroir de Bragg sous la membrane, afin de localiser le mode de Bloch sur un volume modal faible tout en maximisant la durée de vie des photons. Toutes ces propriétés sont requises pour la réalisation de microlasers à faible seuil et émettant par la surface. Des premiers démonstrateurs ont été réalisés et nous présenterons les méthodes de fabrication des structures. Les caractérisations, réalisées aussi bien en champ proche qu’en champ lointain, permettront de mettre en évidence expérimentalement les propriétés de ces modes de Bloch présentées théoriquement dans la première partie de ce chapitre.Bien que nous nous focalisions sur des réseaux de piliers, toutes les propriétés présentées dans cette partie pour les modes qui ne se couplent pas en Γ sont également valables dans les réseaux de trous.
2.1 Présentation du cristal photonique étudié
Dans ce travail, les réseaux de piliers seront soit en silicium (n=3.5 à 1.5µm), pour la réalisation de composants passifs, soit en Phosphure d’Indium (InP, n=3.17 à 1.5µm) incluant un milieu à gain, pour la réalisation de composants actifs tels que des microlasers. Ces structures seront reportées sur des substrats de silice (SiO2) ou des miroirs de Bragg. Elles pourront également être totalement englobées dans une matrice de silice ou bien non recouvertes. Les piliers seront arrangés selon une maille carrée.
La figure 2.1 présente le diagramme de dispersion d’un réseau de piliers de silicium arrangés selon une maille carrée dans une matrice de silice d’indice 1.45. Nous nous intéresserons plus particulièrement au premier mode non dégénéré, que nous nommerons par la suite A1 en référence à la classification de la théorie des groupes (annexe). En effet, ce mode présente de multiples avantages :
– Sa faible courbure de bande en Γ favorise son confinement latéral ;
2.1. Présentation du cristal photonique étudié
l’interaction avec les émetteurs (boîtes ou puits quantiques) placés au centre de la membrane ;
– Sa fréquence se situe au bord d’une bande interdite dans la direction X, ce qui limite la compétition entre modes. Dans la direction M, les modes possèdent une très forte courbure de bande, ils seront donc à très grande vitesse de groupe. Leur durée de vie dans la membrane sera donc moindre que le mode A1.
Figure 2.1 – Structure de bandes (MPB 2D +indice effectif ) d’un réseau carré de piliers de silicium englobés dans la silice pour la polarisation TE. Le mode A1 étudié plus particulièrement ici est cerclé de rouge.
La répartition spatiale du champ Ex et Hz du mode A1 dans un cristal photonique constitué de 11x11 piliers diélectriques de période a=0.58µm et de facteur de remplissage 50% calculée à l’aide de la FDTD 3D est donnée figure 2.2. Il apparaît clairement sur ces cartographies que les fuites dans le plan du cristal photonique sont importantes, en dépit de sa faible courbure de bande. La suite de l’étude porte sur la dynamique du mode de Bloch dans une structure de dimensions finies et l’ingénierie de la structure afin de limiter les fuites et augmenter la durée de vie des photons dans le cristal photonique.
Figure 2.2 – Cartographie du champ Hz et Ex au centre de la membrane (a) et dans les coupes transverses à la membrane (b) et (c) dans un réseau carré de 11x11 piliers en silicium englobés dans la silice. Le facteur de remplissage est 50%, la longueur d’onde de résonance est 1.53µm.