Réalisations de guides dans le moyen-infrarouge

Après avoir présenté les matériaux cristallogènes possédant de bonnes propriétés en termes de transmission dans le MIR, nous allons passer en revue la plateforme historique et trois filières considérées comme les plus prometteuses et avancées pour la réalisation de guides d’onde sur une bande large de longueurs d’onde : le silicium-sur-isolant (SOI), les membranes silicium, les guides en Ge-sur-Si, et les guides en SiGe. Les guides d’onde réalisés sur d’autres filières ne seront pas évoqués ici mais sont décrits avec précision dans le manuscrit de thèse de Malik [47]. La plateforme SOI possède de très bonnes performances et constitue une base solide de comparaison pour les filières démontrées dans ce travail.

Silicium-sur-isolant

Le matériau silicium-sur-isolant (SOI, pour Silicon-On-Insulator) a émergé comme la plateforme de choix pour plusieurs raisons. Le silicium et la silice sont fortement transparents aux longueurs d’onde de 1,3 µm et 1,55 µm, poussant l’indus-trie des télécommunications à réaliser des transferts de données à hautes fréquences sur ses bandes de transparence. Grâce à la maturité des procédés de fabrication, les pertes engendrées lors de la fabrication restent très faibles (≈ 0,1 dB/cm) et permettent de transmettre de l’information sur de longues distances. De plus, le fort contraste d’indice (∆n=2) assure la réalisation de circuits compacts (plusieurs mm²). Le dernier point et sans doute le plus important est la compatibilité avec l’industrie CMOS. Les outils de fabrication utilisés pour la fabrication de circuits électroniques peuvent être réutilisés pour la réalisation de circuits photoniques à bas coût pour une production de très grands volumes. Les substrats standards sont

composés d’une couche de silice de 2 µm d’épaisseur, suivi d’une couche de silicium de 220 ou de 400 nm. Un guide est ensuite défini par une gravure partielle de la couche supérieure de silicium, tel que représenté sur la figure 1.8(a).

Silice Silicium Silicium (a) (b) (c) SiGe Si 2µm 7.5µm

Figure 1.8 – (a) Représentation schématique d’un guide d’onde faiblement gravé sur un substrat de SOI. (b) Image MEB d’un guide d’onde en mem-brane sur silicium. (c) Image MEB du guide SiGe de composition graduée sur substrat silicium.

Dans le MIR, la plateforme est pour la première fois évoquée par Soref en 2006 [45] et dimensionnée en 2009 pour la réalisation d’un guide d’onde faiblement gravé mono-mode [48]. La plateforme SOI a depuis gagné en maturité et les équipes des universités de Southampton en Angleterre et Ghent en Belgique réalisent aujourd’hui des composants photoniques de haute complexité [49]. Des pertes en propagation de 1,3 dB/cm à 3,8 µm de longueur d’onde ont été mesurées en 2015 établissant un nouveau record sur cette filière [50]. Les performances sont regroupées dans le tableau 1.2.

Groupe Réf. Année Description

Soref, Air Force Research Lab

[45] 2006 Première proposition d’extension de la pla-teforme SOI dans le MIR jusqu’à une lon-gueur d’onde de 4,8 µm.

Milosevic, Univ. de Sorrey

[48] 2009 Règles de dessin d’un guide d’onde gravé en surface, mono-mode et indépendant de l’état de polarisation.

Mashanovich, Univ. de Sorrey

[51] 2011 Première réalisation suivant le dessin de [48], pertes de propagation de 0,65 dB/cm à 3,39 µm.

Mashanovich, Univ. de Sou-thampton

[50] 2015 Meilleures performances obtenues jusqu’à présent, 1,3 dB/cm à 3,8 µm dans un guide silicium de 500 nm faiblement gravé .

Tableau 1.2 – Récapitulatif des performances atteintes dans la littérature sur la filière SOI.

Membranes silicium

Afin de minimiser les pertes par absorption provenant de la silice au dessus de 3,8 µm, une membrane suspendue en silicium entourée d’air est réalisée pour obtenir

1.2. Filières silicium et germanium pour la photonique MIR

un mode guidé seulement dans le silicium. La fabrication est réalisée à partir d’un substrat SOI comportant un substrat de silicium, suivi d’une couche d’oxyde et d’une couche finale de silicium. Après mise en forme et gravure complète de la première couche de silicium, une étape de gravure chimique sélective à partir d’une solution d’acide fluorhydrique permet de retirer complètement la silice et d’obtenir un guide sous forme de membrane. Le guide est retenu latéralement par des bras de suspension en silicium ne perturbant pas le mode optique. Concernant la géométrie du guide, il faut que le mode fondamental du guide soit confiné dans le coeur en silicium et que les bras de suspension interagissent peu avec lui. Les premiers guides d’onde ont été réalisés en 2012 avec des performances de 3,0 dB/cm à 2,75 µm [52]. Des coupleurs verticaux [53] avec une efficacité de 24,7 pour-cent à 2,75 µm, des anneaux résonnants [52, 54] ayant des facteurs de qualité de 8100 et 6800 à 2,75 µm et 5,2

µm ont été démontrés sur une filière similaire avec deux niveaux de gravure et des

ouvertures très espacées. Une seconde approche ne comportant qu’une seule étape de gravure a été développée [55]. Un réseau de trous sub-longueur d’onde forme le matériau d’indice faible autour d’un cœur de silicium. Les bras de suspension sont rapprochés de telle sorte que le mode optique ne puisse interagir avec, c’est à dire pour une période inférieure à celle de Bragg, et permettent à la solution chimique de venir attaquer la silice. Le guide d’onde est reporté sur la figure 1.8(b). Des pertes de propagation faibles (0,82 dB/cm), des virages (0,01 dB/virage), des interféromètres MMI et MZI (1,6 dB de pertes, 15 dB d’extinction entre les voies) ont été récemment démontrés [56]. La démonstration à 3,8 µm de ces briques photoniques de base devraient permettre l’émergence de spectromètres intégrés sur la plage [1,2 - 8 µm] tels que précédemment montrés sur wafer SOI à 3,8 µm [30].

Germanium-sur-silicium et SiGe

Les filières contenant du germanium possèdent une bande de transmission pou-vant aller jusqu’à 14 µm et repoussent les limites de la plateforme purement sili-cium [46]. Avec un indice optique plus élevé, il est possible de concevoir des guides dont le mode fondamental est situé principalement dans le germanium et n’inter-agissant que de façon limitée à l’interface avec le silicium. La filière Ge-sur-Si s’est développée à partir de 2012 par croissance directe de couches de 1 µm et 2 µm de germanium sur substrat de silicium. Le fort désaccord de maille entre le silicium et le germanium (4,2%) entraîne une forte densité de dislocations à l’interface entre les deux matériaux. Pour réduire leur nombre, la couche de germanium est recuite à des températures supérieures à 800^◦C afin de relaxer les contraintes. Cette densité est de l’ordre de 107 cm⁻² dans les couches supérieures à 2 µm d’épaisseur. Au fil du temps, l’épaisseur de la couche a été augmentée et la géométrie rib préférée à celle en strip afin de diminuer le recouvrement du mode avec les zones présentant des dislocations et de la rugosité introduite lors de la gravure du ruban [57].

En 2014, une approche basée sur des guides SiGe encapsulés dans du silicium a vu le jour. Un coeur de SiGe dont la composition en Ge respecte un profil triangulaire dans la direction de croissance est encapsulé dans du silicium (figure 1.8(c)). Des pertes en propagation de 1 dB/cm à 4,5 µm et 2 dB/cm à 7,4 µm ont été atteintes avec un guide de composition extrême en Si_0.6Ge_0.4[58]. Le fort confinement du mode dans le cœur possédant une concentration en germanium élevée, une diminution du nombre de dislocations par l’utilisation d’un guide de concentration graduée, ainsi

qu’un ∆n moins fort explique ce résultat par la diminution des pertes d’absorption et de rugosité. La réponse non-linéaire de ces guides Si_0.6Ge_0.4 a ensuite été observée et mesurée, mettant en évidence des effets non-linéaires d’absorption multi-photons [59, 60]. Un récapitulatif des résultats atteints est présenté dans le tableau 1.3.

Groupe Réf. Année Description

Chang, EPFL [61] 2012 Première réalisation de guides sur une couche de germanium de 2 µm d’épaisseur, pertes de 2,5 dB/cm à 5,8 µm

Malik, Ghent, IMEC

[62, 63] 2013, 2014

Réalisation de MMI et de MZI avec coef-ficient d’extinction de 20 dB, modulateurs de phase thermo-optique sur des guides de 2 µm d’épaisseur à 5,3 µm

Nedeljkovic, Univ. de Sou-thampton

[57] 2015 Amélioration des pertes (0,6 dB/cm à 3,8

µm) par augmentation de l’épaisseur de

germanium de 2 à 3 µm et passage à une géométrie rib

Troia, Univ. de Southampton

[64] 2016 Guide germanium rib de 2 µm, anneaux résonnants avec pertes d’insertion de 1 dB, coefficient d’extinction de 18 dB et facteur de qualité Q de 1700 à 3,8 µm

Brun, CEA LETI [58] 2014 Guides enterrés Si_0.6Ge_0.4, pertes de propa-gation de 1 dB/cm à 4,5 µm et 2 dB/cm à 7,4 µm. Des fonctions simples (jonctions Y, coupleurs directionnels, guides courbes) sont également démontrées.

Carletti, CEA LETI

[59, 60] 2015 Première démonstration expérimentale de la réponse non-linéaire de guides Si_0.6Ge_0.4

Tableau 1.3 – Récapitulatif des performances des guides Ge-sur-Si et SiGe