Résultats expérimentaux

Les performances spectrales du boîtier sont présentées à la figure 3.46(a). Sept LCQ DFB après passage dans le multiplexeur émettent sur le mode DFB fondamen-tal, couvrant la gamme spectrale s’étalant de 1352,8 à 1368,9 cm⁻¹.

En augmentant la température de l’embase de 20^◦C, la longueur d’onde d’émis-sion d’un émetteur unique varie de 2 cm⁻¹. L’intervalle spectral entre les lasers étant inférieur à 2 cm⁻¹, une accordabilité continue est atteinte (figure 3.46(b)). Les autres LCQ de la barrette ne sont pas spectralement mono-mode avant le couplage et ne sont pas représentés sur la figure. Pour cette structure verticale, la gaine supérieure est d’une épaisseur de 3,4 µm, à comparer avec la gaine supérieure de la plaque pré-cédente de 3,1 µm. Pour une même profondeur de gravure de 0,620 µm, la constante de couplage κ est alors de 2,574 cm⁻¹. Le produit κL est de 0,7722, soit deux fois plus faible que la barrette de la figure 3.9. La force du couplage est plus faible et une cavité laser plus grande est alors nécessaire pour l’obtention de plus de lasers DFB sur la barrette.

La caractéristique courant-tension-puissance est montrée sur la figure 3.47. Le courant de seuil est diminué de 230 mA pour atteindre une valeur de 380 mA. Une résistance série apparait après le report de la barrette dans le boitier butterfly. La

Figure 3.46 – (a) Plage de longueurs d’onde disponible en sortie du boîtier de la figure 3.43 en fonction du pas du réseau DFB (b) Longueur d’onde en fonction de la température pour 3 lasers DFB consécutifs. L’accordabilité continue est atteinte pour une gamme de température de seulement 20^◦C.

puissance en sortie du multiplexeur est plus faible que sur la figure 3.42. Néanmoins, la puissance maximale n’est pas atteinte. La tension appliquée sur les lasers est limitée à 16 V pour ne pas endommager les lasers. Un partenaire de mirSense à l’intérieur d’un projet européen réalise l’intégration de cette source dans un système de détection de gaz.

Figure 3.47 – Caractéristiques tension (échelle gauche) et courant-puissance (échelle droite) de plusieurs lasers de la même barrette après assem-blage. Les conditions d’utilisation sont de 300 ns, 400 kHz, 20^◦C.

Ce dispositif représente la première réalisation de barrettes multiplexées tout InP. La maitrise des nombreuses briques technologiques fabriquées et testées séparément nous a permis de réaliser de manière hybride un composant photonique intégré de haute complexité.

Conclusion du troisième chapitre

Conclusion du troisième chapitre

Each element must be made, tested, packed, shipped, unpacked, retested, and interconnected one at a time to produce a whole system. Each element and its connections must operate reliably if the system is to function as a whole . . . the tyranny of large systems sets up a numbers barrier to future advances if we must rely on individual discrete components for producing large systems

J. A. Morton A chip engineer at Bell Labs (1956)

Dans ce chapitre sont exposées les réalisations de sources ayant un fort potentiel pour l’intégration active/passive. A chaque fois, pour les différents types d’objets présentés, les optimisations des géométries et des procédés de fabrication sont pré-sentées. Plusieurs prototypes réalisés pour la première fois ont été testés et des voies d’amélioration proposées.

Tout d’abord, les barrettes de LCQ DFB sont présentées pour des fonctionne-ments en impulsionnel et en continu, centrées aux longueurs d’onde de 4,5 µm, 5,65

µm, 7,4 µm et 9,1 µm. Un nouveau modèle est implémenté pour le suivi des indices

en fonction du dopage et de la longueur d’onde. La prise en compte de la contribution des porteurs libres à l’indice de réfraction des matériaux semi-conducteurs permet de gagner en précision sur la longueur d’onde d’émission. Un nouveau procédé de fabrication plus stable est démontré.

Nous démontrons le collage moléculaire sur silicium de substrats III-V com-portant la zone active et les couches de contact et de confinement d’un LCQ. La caractérisation extensive des substrats avant collage est primordiale pour assurer une bonne efficacité de transfert. Les substrats LCQ répondant aux critères fixés dans le tableau 3.2 ont été collés avec succès. La procédure de retrait de substrat par insertion d’une double couche en InGaAs/InP/InGaAs permet un arrêt contrôlé de la gravure chimique. Une efficacité de plus de 90% est atteinte pendant le trans-fert, laissant une surface considérable pour la réalisation de lasers. Dans une seconde étape, les lasers LCQ DFB sur silicium sont fabriqués. Le rodage du substrat de Si à une épaisseur de 150 µm est nécessaire à l’obtention de facettes de bonne qualité. Le dernier point technique consiste à suivre la profondeur de gravure du ruban avec précision pour arrêter la gravure dans les couches de contact prévues à cet effet. Il s’est avéré difficile de suivre cette gravure, rendant tous les lasers inutilisables. L’uti-lisation d’un modèle de suivi interférométrique ainsi que la calibration des vitesses de gravure seront testés dans le prochain lot.

L’intégration monolithique et homogène est ensuite étudiée. La géométrie d’un coupleur adiabatique réalisant le transfert de l’énergie du guide actif vers le guide passif est optimisée et réalisée. Un alignement fin des deux guides, un report de contact inférieur en face avant et un procédé compatible avec la réalisation de cir-cuits photoniques plus complexes sont développés. Nous estimons par caractérisation passive à 6 dB les pertes apportées par le coupleur adiabatique. La réalisation des premières barrettes de LCQ DFB, couplées sur guides passifs et multiplexées sur substrat d’InP est obtenue. Les problèmes au niveau du report de contact sont iden-tifiés. Le levier d’amélioration porte sur l’introduction d’une couche d’arrêt plus dopée pour l’obtention d’un contact ohmique apportant une résistance série moins

élevée, ainsi que d’un procédé d’encapsulation de la couche de contact pour remédier aux problèmes de dépletion empêchant le transport horizontal des électrons.

La dernière réalisation porte sur l’assemblage hybride d’une barrette de LCQ DFB et d’un multiplexeur à réseau échelle. Sept lasers sont ainsi multiplexés pour former une source accordable sur 20 nm. Les tests de la barrette de lasers et du mul-tiplexeur de façon séparée ont permis la réduction du risque associé à la fabrication concomitante des deux pièces. L’approche d’intégration hybride est une approche valable pour l’intégration de peu de pièces, mais l’augmentation du nombres de briques à intégrer justifie le passage vers de l’intégration homogène et hétérogène. Des circuits photoniques de complexité élevée peuvent être en principe réalisés par agrégation de composants discrets. Néanmoins, la probabilité que l’ensemble fonc-tionne tend vers zéro pour un nombre de composants élevé.

Conclusion et perspectives

Dans cette thèse, nous avons commencé par démontrer l’intérêt du MIR pour la spectroscopie. Bien que de nombreuses sources de rayonnement couvrant cette région s’étalant de 3 à 12 µm de longueur d’onde soient désormais commercialisées, les systèmes permettant d’obtenir une accordabilité élevée sont basés sur des éléments volumineux, sensibles aux vibrations et par conséquent destinés à une utilisation sédentaire en laboratoire. Les barrettes d’émetteurs LCQ DFB montrent à la fois la finesse spectrale nécessaire pour cibler des raies d’absorption fines, mais également l’accordabilité par ajout d’émetteurs suffisamment proches pour couvrir continûment une large bande de longueurs d’onde. Par l’intermédiaire d’un circuit photonique, il apparaît possible de regrouper tous les faisceaux issus de la barrette d’émetteurs sur une sortie unique pour assurer une facilité d’utilisation et une grande stabilité. L’intégration photonique possède également les atouts nécessaires à la réduction du coût et de la taille des systèmes existants. Nous avons identifié trois briques photoniques nécessaires à la réalisation de cette source large bande intégrée. Les trois chapitres de ce manuscrit se sont alors attachés à décrire et présenter les résultats de conception, de fabrication et de caractérisation obtenus.

Au premier chapitre, nous avons étudié trois filières de guidage passif possédant un fort potentiel pour la réalisation de circuits photoniques transparents sur une large bande spectrale et apportant de nouvelles fonctionnalités : le SiGe-sur-SiGe gradué, les verres de chalcogénure et l’InP. La première est basée sur une filière SiGe compatible avec la technologie CMOS et présentant des propriétés non-linéaires pro-metteuses. Une couche guidante en SiGe dont la concentration en germanium de 80% devrait permettre un fonctionnement à une longueur d’onde supérieure à 8 µm est réalisée. Des pertes faibles (2,0 ± 0,5 dB/cm) en polarisation TM à 4,6 µm de lon-gueur d’onde sont obtenues par utilisation d’un procédé de fabrication limitant le nombre de dislocations lors de la croissance. Deux filières à base de verres de chalco-génure sont également évaluées. La première à base d’éléments souffres est utilisée pour la fabrication de guides dans un matériau massif par inscription directe avec un laser. Les pertes faibles (0,2 dB/cm) et les coefficients de non-linéarité en font un candidat idéal pour la réalisation de modulateurs. La seconde à base de sélénium est utilisée pour la réalisation de fibres MIR micro-structurées en As_0.32Se_0.68, pré-sentant des pertes inférieures à (1 dB/m) de 2 à 8 µm de longueur d’onde. Une fibre biréfringente permettant le maintien de la polarisation est obtenue, ouvrant la voie vers le transport de lumière polarisée sur des distances de plusieurs mètres. L’inté-gration homogène avec les LCQ est envisagée par développement de la filière InP. Partant d’une littérature plus éparse, les choix des matériaux, de la géométrie des

guides et des étapes de fabrication sont développés. Un nouveau procédé répondant aux spécificités de l’InP dopé fer est établi. Les guides d’onde montrent des pertes de propagation de 2,2 dB/cm à 4,6 µm et de 2,6 dB/cm à 7,4 µm en polarisation TM. Des guides d’une largeur de 8 µm garantissent un fonctionnement mono-mode sur la gamme s’étalant de 6,8 - 9,5 µm et des pertes inférieures à 4 dB/cm de 4,6 à 8,6 µm. Des jonctions Y, des coupleurs directionnels et des croisements de guides sont également démontrés.

Des fonctions intégrées de multiplexage optique sont fabriquées et testées dans le second chapitre. Les présentations de deux multiplexeurs basés l’un sur un réseau de diffraction en réflexion de type PCG, et l’autre sur un réseau en transmission de type AWG sont réalisées. La première génération de multiplexeurs sur InP a permis de mettre en place le procédé de fabrication et de dresser un premier bilan sur les sources de pertes. La deuxième génération comportant un multiplexeur PCG de 30-vers-1 voies obtient des performances à l’état de l’art, avec des pertes d’insertion de 5 dB en polarisation TM et couvrant la gamme spectrale (7 - 8,5 µm). Un circuit photonique dédié au multiplexage de barrettes d’émetteurs LCQ est réalisé. Deux multiplexeurs de 30-vers-1 voies sont inter-digités puis multiplexés à partir d’une jonction Y, afin d’obtenir une puissance de sortie constante sur toute la gamme de longueurs d’onde. Une excellente uniformité entre canaux (≈ 1 dB) est obtenue, pour des pertes d’insertion s’étalant de 8 à 9 dB. Le fonctionnement sur plusieurs ordres de diffraction consécutifs est également obtenu, constituant la première démonstration d’un multiplexeur fonctionnant de façon discontinue sur la gamme (3,8 - 8,5 µm). Un multiplexeur AWG sur filière SiGe fonctionnant à 5,65 µm est également caractérisé, avec des pertes d’insertion de 4 dB en polarisation TM. Une comparaison entre les caractéristiques spectrales et géométriques des PCG et AWG est réalisée afin d’apprécier les points forts de chaque méthode.

Le troisième et dernier chapitre présente les travaux réalisés pour l’intégration des filières passive et active au sein d’une puce unique. Préalablement, la fabrication et les performances des barrettes de LCQ DFB sont présentées. Un fonctionnement en pulsé et/ou en continu est obtenu couvrant quatre plages de longueurs d’onde centrées à 4,5 µm, 5,65 µm, 7,4 µm et 9,1 µm. Dans la perspective d’une intégration hétérogène monolithique avec les circuits photoniques de la filière SiGe, le collage moléculaire d’une zone active de LCQ est réalisé sur un substrat de silicium. La première barrette de LCQ DFB reportée sur substrat silicium est ainsi fabriquée. L’intégration homogène et monolithique d’un LCQ et d’un guide passif InP sont en-suite obtenues sur substrat d’InP. La conception et la fabrication sont réalisées avec succès. Par couplage adiabatique, les caractérisations optiques attestent de pertes de couplage de 6 dB. L’intégration avec un multiplexeur est ensuite réalisée au sein d’une même puce monolithique su InP. La première réalisation d’un circuit photo-nique intégré comportant soixante lasers, des coupleurs évanescents passif et deux multiplexeurs inter-digités est obtenue. Finalement, une source multiplexée compor-tant cinq LCQ DFB accordable sur 20 nm et centrée à 7,4 µm de longueur d’onde est obtenue par intégration hybride d’une barrette de LCQ DFB et d’un multi-plexeur PCG sur InP. L’ensemble de ces résultats démontre la faisabilité technique de nombreuses méthodes de couplage, qu’il est maintenant nécessaire de concrétiser.

Optique intégrée pour sources largement accordables moyen infrarouge

A partir de la discussion tenue précédemment, nous pouvons conclure que les filières passives InP et Si_0.6Ge_0.4gradué sont les plus prometteuses pour la réalisation de sources largement accordables dans le MIR. Il reste des axes d’amélioration afin de diminuer les pertes des guides et des multiplexeurs, ainsi que sur les réalisations de zones actives et de contacts électriques plus performants.

Perspectives

Les éléments utilisés au cours de cette thèse, issus des colonnes III, IV, V et VI, sont représentés dans un extrait du tableau de Mendeleïev sur la figure 3.48. Les fi-lières contenant des matériaux binaires II-VI (ZnSe, ZnS) à indices forts, et les maté-riaux fluorés (CaF₂, BaF₂, MgF₂) à indices faibles sont excellents pour la réalisation de lentilles MIR, mais difficiles à mettre en forme. Les sels de plombs (PbSe, PbS) et les antimoniures (InSb, GaSb) ciblent davantage les longueurs d’onde intermédiaires entre 2 et 4 µm pour la réalisation de détecteurs et de sources MIR. L’épitaxie plus difficile à réaliser engendre des pertes intrinsèques plus grandes et dommageables pour la réalisation de guides d’onde passif. Les matériaux 2D (graphène à base de C, phosphorène à base de P, métaux de transition dichalcogènes MoS₂, WS₂) sont depuis peu utilisés dans le MIR pour leurs propriétés électroniques et optiques [176] et pourraient apporter de nouvelles fonctionnalités dans un futur proche. La filière non-exploitée dans ce manuscrit et présentant le plus d’intérêt est certainement la filière des membranes sur silicium [55, 56]. La fabrication est fortement facilitée par l’utilisation de substrats SOI. Aucune recroissance et une seule étape de gravure sont nécessaires pour former les membranes, pouvant résulter en une fabrication de masse rapide et à faible coût. Les structures suspendues sont stables et robustes par l’utilisation de nombreux bras de suspension et ne perturbent que faiblement le mode (0,8 dB/cm à 3,8 µm). De plus, les récentes démonstrations de fonctions élémentaires de traitement du faisceau, la capacité d’obtenir des modes très confi-nés pour l’exaltation d’effets non-linéaires ou encore d’interaction du mode avec le milieu entourant la membrane pour la réalisation de capteurs de gaz présagent de leur implantation future dans de nombreux composants d’optique intégrée.

III IV V VI B Al Ga In 5 13 31 49 C Si Ge Sn 6 14 32 50 N P As Sb 7 15 33 51 O S Se Te 8 16 34 52 InP InGaAs 0.8GeS₂-0.2Ga₂S₃ As_0.38Se_0.62 Si_0.2Ge_0.8 Zn Cd 30 48 Tl⁸¹ Pb⁸² Bi⁸³ Po⁸⁴ Hg⁸⁰ II

Figure 3.48 – Extrait des colonnes II, III, IV, V et VI de la table de Mende-leïev. Les matériaux utilisés dans ce chapitre sont représentés par différentes couleurs.

Les composants restant à intégrer et n’ayant pas été évoqués dans ce manuscrit sont les amplificateurs pour l’obtention d’une puissance de sortie plus conséquente

et les détecteurs, nécessaires à la réalisation de capteurs intégrés complets. Afin d’augmenter la puissance de sortie, il est envisageable d’intégrer une amplification par passage du mode à travers les puits quantiques en sortie du multiplexeur. Les amplificateurs optiques à semi-conducteurs (SOA) ont déjà montré d’excellentes performances sur les LCQ [177], et la fabrication a également été démontrée dans le chapitre 3 par réalisation d’un second coupleur permettant à nouveau le passage du mode dans la zone de gain.

Parmi les techniques permettant de réaliser l’analyse de gaz de façon intégrée, l’intégration homogène avec un détecteur à cascade quantique (Quantum Cascade Detector, QCD) est rendue possible par le dessin d’une zone active pouvant à la fois servir de zone d’émission sous polarisation positive, et de détecteur sous polarisation nulle, sur des bandes de longueurs d’onde communes [178]. La première réalisation a été obtenue à partir d’un circuit intégré contenant à la fois un LCQ, un QCD ainsi qu’un guide plasmonique permettant de sonder le gaz par exploitation du champ évanescent [179]. Nous proposons ici de réaliser l’interaction avec le gaz par couplage du mode en sortie du multiplexeur avec une cavité nanobeam (figure 3.49(a)). Ce type de cavité a déjà obtenu des facteurs de qualité de plusieurs milliers à 5,2 µm [180] avec un champ électromagnétique localisé hors du guide pour une interaction optimisée avec l’analyte [181].

Entrée de gaz Sortie de gaz Microphone Cellule de Helmholtz QCD Cavité nanobeam Matrice de LCQ DFB Contact commun LCQ Contact QCD Multiplexeur optique Coupleur acitf/passif Membrane (a) (b)

Figure 3.49 – Représentation schématique d’une barrette de LCQ DFB cou-plée sur guides passifs, multiplexée, et intégrant les éléments de détection. (a) L’interaction du champ évanescent avec le gaz est réalisée de façon homogène par l’intermédiaire d’une cavité résonante nanobeam et la détection assurée par un QCD. (b) Le rayonnement est amené vers une cellule de Helmholtz et le signal généré par la molécule est capté par un microphone, le tout réalisé de façon hétérogène sur silicium.

Optique intégrée pour sources largement accordables moyen infrarouge

La deuxième approche basée sur la détection photo-acoustique possède l’avan-tage d’utiliser un capteur non-sensible à la longueur d’onde. Il est ainsi possible d’adapter ce système à la détection de plusieurs espèces chimiques. Un véritable laboratoire-sur-puce (lab-on-chip) est ainsi réalisé, à partir d’un ou plusieurs sub-strats de matériaux III-V et silicium, où sont fabriqués la barrette de sources LCQ, le circuit photonique de mise-en-forme du signal, la cellule photo-acoustique ainsi que les microphones [148].

Finalement, nous avons à travers ce manuscrit seulement envisagé le couplage de LCQ sur une filière passive. Dans la bande [2 - 6 µm], les LIC et les diodes inter-bandes à base d’antimoniures sont également de bons candidats. La consommation électrique moins élevée de ces lasers apporte des avantages en termes économique et et gestion de la thermique. L’intégration est envisageable par collage adhésif avec des faibles épaisseurs de BCB facilitant l’intégration au prix de faibles pertes d’ab-sorption [31]. L’approche du couplage adiabatique est aussi utilisable sur d’autres filières. Dans le cadre du projet Great GaSby, la puissance optique d’un laser III-Sb à double hétérostructure est couplée sur un guide passif réalisé dans un cristal orienté périodiquement (OP) de GaSb pour la génération de fréquences par oscillation pé-riodique optique [182]. Par le choix des épaisseurs et des indices des matériaux, nous avons dimensionné un coupleur guidant le faisceau de pompe à 2,5 µm de la diode vers le guide passif OP-GaSb. La conversion de cette pompe vers la gamme 2,5 - 12

µm permettrait de développer une source laser intégrée présentant également une

Bibliographie

[1] C. N. Banwell, E. M. McCash et al, Fundamentals of molecular spectroscopy. McGraw-Hill London, 1972.

[2] V. M. Lavchiev et B. Jakoby, « Photonics in mid-infrared challenges in single-chip integration and absorption sensing », IEEE Journal of Selected Topics in

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[3] http ://www2.ups.edu/faculty/hanson/Spectroscopy/IR/IRfrequencies.html.

[4] P. Werle, F. Slemr, K. Maurer, R. Kormann, R. Mücke et B. Jänker, « Near-and mid-infrared laser-optical sensors for gas analysis », Optics Near-and lasers in