SiGe-sur-SiGe de composition graduée

La filière de guidage précédente montre de bons résultats et un fort potentiel pour l’utilisation des effets non-linéaires. La concentration en silicium supérieure à 50% dans le cœur et l’encapsulation du guide dans du silicium devraient limiter leur utilisation à des longueurs d’onde inférieures à 8 µm. Nous avons considéré une filière basée sur une composition inférieure en silicium (20 %) et sans encapsulation qui devrait étendre la gamme spectrale au dessus de la limite fixée par l’absorption dans le silicium. Les coefficients non-linéaires du germanium sont également supérieurs d’un ordre de grandeur à ceux du silicium (n₂ = 3, 26 × 10⁻¹⁸ m2/W et 25, 5 × 10⁻¹⁸m2/W à 4,26 µm) [65] rendant l’intégration de phénomènes non-linéaires plus accessibles dans le MIR.

Nous avons choisis de nous intéresser à cette filière car aucune mesure de référence n’est présente dans la littérature. Elle possède un fort intérêt pour l’intégration avec les LCQ en raison de sa gamme spectrale théoriquement plus large.

1.2. Filières silicium et germanium pour la photonique MIR

Fabrication

Les structures épitaxiales enrichies en Ge ont été fabriquées par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma de basse énergie (LE-PECVD) à une température de 425^◦C sur un substrat commercial de silicium d’orientation (001) [66]. La vitesse de déposition est de l’ordre de 5 à 10 nm/s. Un substrat virtuel composé de 11 µm de Si_1−xGe_x de composition variant linéairement de x = 0 à 0,79 est déposé sur un substrat de silicium. Ensuite, une couche de 2 µm de Si_0.2Ge_0.8 est déposée sur la précédente pour servir de couche guidante de plus fort indice. Cette méthode a pour but de diminuer efficacement les dislocations provenant du fort désaccord de maille entre les deux matériaux. La concentration en dislocations chute d’un ordre de grandeur, de 2-5x107 cm⁻² [57] à 3x106 cm⁻² [67]. La rugosité de surface de la couche supérieure mesurée par AFM est de seulement 3,5 nm rms. L’accommodation progressive des paramètres de maille augmente la qualité du matériau et fournit un contraste d’indice suffisant pour obtenir un mode confiné dans la couche supérieure (∆n = 0,48 entre la couche supérieure et le substrat à λ = 5 µm). Des guides d’onde faiblement gravés sont alors définis par ICP dans cette couche jusqu’à une profondeur de 1,5 µm. La figure 1.9 montre la géométrie des guides et deux vues en coupe de guides de deux largeurs différentes. Des longueurs différentes de guides ont été directement définies par une seconde étape de gravure profonde de 120 µm pour le placement de la fibre d’injection au plus proche de la facette d’entrée. Les étapes de clivage et polissage successives sont alors évitées assurant des injections reproductibles sans destruction des échantillons. Les guides d’onde et les facettes sont peu rugueuses.

Figure 1.9 – Images MEB des guides d’onde définis en deux étapes successives de gravure ICP. Les images supérieures montrent deux guides de 4 µm et 8

µm de large. L’encadrement inférieur montre un schéma simplifié de la coupe

Mesures de pertes

Les mesures de pertes ont été réalisées à 4,6 µm selon la méthode de mesure d’atténuation présentée à la section 1.1.3. La puissance en entrée du guide est limitée à 0,5 mW (de l’ordre du kW/cm2) pour que la mesure ne soit pas influencée par des effets non-linéaires. La transmission d’un guide de 7 µm est montrée sur la figure 1.10. Des pertes de propagation de (1,5 ± 0,5) dB/cm sous polarisation TE et de (2 ± 0,5) dB/cm sous polarisation TM sont atteintes. Ce niveau de pertes est équivalent à celui de la filière Ge-sur-Si [61] et légèrement supérieur au Si_0.6Ge_0.4 [58]. L’encapsulation permet de diminuer les pertes par interaction du mode avec la rugosité, au prix d’une recroissance difficile à réaliser et coûteuse.

Les mesures sur des guides de largeurs différentes ne montrent pas de tendance et attestent de la faible dépendance des pertes à la largeur du guide. Une faible rugosité apportée par la gravure ainsi qu’une déformation du mode plongeant dans le substrat lorsque la largeur du guide diminue peuvent expliquer ce phénomène. Pour des largeurs supérieures des guides ayant la capacité de supporter plusieurs modes, seulement le premier ordre est observé en sortie du guide. Il est le seul à être excité par cette méthode d’injection et aucun couplage ni battement ne se produit entre les modes.

Figure 1.10 – Pertes de propagation en fonction de la longueur du guide à une longueur d’onde de 4,6 µm en polarisations quasi-TE (ronds rouges) et quasi-TM (carrés gris) pour un guide de 7 µm de large. Les régressions linéaires sont tracées en trait plein afin d’estimer les pertes de propagation.

Pertes de couplage et taille de modes

En marge des pertes de propagation, les pertes de couplage ont été mesurées sur les guides de dimensions différentes. Elles correspondent à la puissance perdue lors de l’injection et de la collection, par désalignement et par adaptation des modes issus de l’objectif de microscope et du guide. L’évolution de la puissance transmise en fonction de la largeur du guide est tracée sur la figure 1.11. Des variations im-portantes du recouvrement entre le mode du guide d’onde et le mode de la fibre sont attendues. Une diminution linéaire des pertes de couplage est observée jusqu’à atteindre un palier autour de 7-8 µm pour une valeur de transmission proche de 10 dB. L’origine de cette tendance peut être expliquée par un meilleur recouvrement

1.2. Filières silicium et germanium pour la photonique MIR

des modes pour des guides larges. Afin de vérifier cette hypothèse, le champ proche du mode optique est observé à la sortie des guides et comparé à celui à la sortie de la fibre. Les profils sont enregistrés sur une caméra MIR (Xenics Onca MWIR-InSb-640) à travers une lentille asphérique en germanium traitée avec un anti-reflet. Comme montré sur la figure 1.11, la différence de taille de mode est flagrante à la sortie d’un guide de 4 µm (à gauche) et à la sortie d’un guide de 7 µm (au centre). La taille de ce dernier est alors comparable avec celui en sortie de fibre (à droite).

N = 5, D = 20.8µm, t = 100ms N = 4, D = 20.8µm, t = 100ms 10000 2000 6000 Pro�ils mesurés TE

Figure 1.11 – Transmission totale en sortie du guide de 6 mm de long pour des largeurs de guide de 4 à 8 µm en polarisations quasi-TE (ronds rouges) et quasi-TM (carrés gris). Les encadrés représentent les champs proches mesurés à la sortie du guide de 4 µm (à gauche), de 7 µm (au centre) et à la sortie de la fibre (à droite).

Une analyse de la taille effective des modes (Aeff) est menée par comparaison entre la mesure et la simulation des modes de guide réalisée par la méthode des élé-ments finis. Les résultats de la figure 1.12 montrent un bon accord entre les mesures et les simulations pour les deux polarisations. Le champ proche mesuré présente des aberrations déformant la forme du mode probablement apportées par la lentille de collection. Comme observé sur les encarts de la figure 1.12, une portion considérable du mode pénètre dans le buffer gradué de Si_1−xGex. Néanmoins, le contraste d’in-dice apporté par le changement de composition est suffisant pour maintenir le mode confiné dans le guide Si_0.2Ge_0.8. Une augmentation progressive de la taille effective du mode est observée pour des guides larges. Un point d’inflexion est présent pour des guides plus étroits principalement en polarisation TE. Une dimension inférieure à 4 µm compromet le guidage exclusivement dans la couche supérieure et par consé-quent, le mode est chassé en dehors du guide et se recouvre davantage avec le buffer avec un confinement horizontal moindre. La comparaison des modes des guides de 3,5 µm et de 8,5 µm (en haut à gauche) montre la déformation du mode lié au dé-confinement latéral. De plus, cette interprétation reste consistante avec le meilleur confinement du mode TM, puisque cette polarisation est moins sensible au confine-ment latéral. Par conséquent, ces deux dernières figures montrent toute l’attention qu’il faut porter au choix de la taille du guide. Pour exploiter par exemple des effets non-linéaires de cette filière, un couplage performant doit être assuré pour maximi-ser la puissance couplée dans le guide. Une largeur de 7 µm est donc un minimum à respecter à une longueur d’onde de 4,6 µm. Conjointement, un fort confinement

est nécessaire afin d’accentuer la densité de puissance et exalter les effets de la non-linéarité, d’où le choix de guides plus étroits. Un compromis devra alors être trouvé pour satisfaire une forte puissance dans le guide et un fort confinement avec par exemple, la combinaison de sections larges pour un couplage efficace et de sections plus étroites pour l’exaltation des effets non-linéaires

N = 5, D = 20.8µm, t = 60ms N = 4, D = 24.8µm, t = 100ms N = 5, D = 20.8µm, t = 100ms N = 4, D = 20.8µm, t = 100ms