Structures guidantes à bande interdite photonique à base de silicium nanoporeux

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Submitted on 28 Oct 2004

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Structures guidantes à bande interdite photonique à base de silicium nanoporeux

Patrick Ferrand

To cite this version:

Patrick Ferrand. Structures guidantes à bande interdite photonique à base de silicium nanoporeux.

domain_stic.inge. Université Joseph-Fourier - Grenoble I, 2001. Français. �tel-00003341v2�

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n₁

n₂ milieu 1

milieu 2

z x

a₁ b₁ y

b₂ a₂

(18)

(19)

n₁

n₂ z

x y

n₃

TE₀ TE₁

e₂

(20)

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 0,0

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

TE2

TE1

TE0

ω = c^β/n³

ω = c^β/n² continuum

fréquence réduite ωe 2/2πc

constante de propagation réduite βe₂/2π

(21)

(22)

z x

y

n₂ n₁

a) b) _0,0

0,5 1,0

bande interdite

réflectivité

fréquence Λ

(23)

(24)

(25)

Si

Si Si

H H

F^–

+

Si

Si Si

H F

–

B F^–

Si

Si Si

F C F

F^–

H⁺ H₂

Si

Si Si

F F

D

F^–

F

H⁺

Si

Si Si

F F

H H

+ 2HF

SiF₆^2–+ 2H⁺ A

E

(26)

(27)

(28)

(29)

(30)

50 55 60 65 70 75 80 1,0

1,2 1,4 1,6 1,8 2,0

1,66 mA/cm² 16,6 mA/cm²

166 mA/cm²

333 mA/cm² λ = 1,3 µm

partie réelle de l'indice optique

porosité (%)

(31)

(32)

temps

densité de courant

Si

anodisation de la première couche

anodisation de la seconde couche

HF

(33)

(34)

(35)

(36)

(37)

b)

substrat de silicium

fenêtre CaF₂ électrode en inox électrode de platine

électrolyte conduits

remplissage/vidange

(38)

cellule d'électrolyse laser Ar⁺

TEM₀₀

télescope + filtre spatial

séparatrice 50/50

Λ θ

(39)

(40)

(41)

0,0 0,1 0,2 0,3

1,5 2,0 2,5

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

0,01 0,1

1,5 1 0,5

a) mesure

calcul

réflectivité absolue

b)

Re(n)

énergie (eV) c)

Im(n)

longueur d'onde (µm)

(42)

diaphragme de champ θ

diaphragme d'ouverture

échantillon analyseur optique

multicanal

monochromateur faisceau

de pompe

filtre passe-haut

polariseur

(43)

(44)

objectif de microscope

échantillon hacheur

fente 50 µm lampe

tungstène

×25

(45)

faisceau incident

a) b)

image du filament

plan du guide faisceau incident

zone de couplage efficace ouverture

du guide

illumination en sortie

φ γ

α

(46)

objectif de microscope

échantillon

hacheur fente

0,5 mm ×4

laser Ar⁺ λ= 457,9 nm

Ø 1,5 mm

L

(47)

objectif de microscope échantillon ×15

monochromateur

photomultiplicateur

caméra polariseur

(48)

fente du spectromètre

substrat sous-couche

guide

zones éclairées

air

a) b)

(49)

(50)

1,5 1,4 1,3 1,2 TM

TE

L = 1,64 mm

L = 2,36 mm

transmission (u. arb.) amplitude de la transformée de Fourier (u. arb.)

0,7 0,8 0,9

L = 2,80 mm

1/λ (µm^-1)

0,0 0,1 0,2

∆n_eff

λ (µm)

(51)

(52)

(53)

(54)

(55)

(56)

(57)

z



 Eext

0



 0 E_sub

>

↓

↑

 E

< E

↓

↑

 E E

extérieur substrat

plan de dipôles

(a) (b)

(58)

(59)

1,2 1,6 2,0 2,4

1 0,8 0,6 1 0,8 0,6

1,2 1,6 2,0 2,4

0°

5°

10°

15°

20°

25°

30°

35°

40°

45°

50°

55°

60°

65°

70°

75°

TE 80°

photoluminescence (u. a.)

énergie (eV)

TM

énergie (eV) longueur d'onde (µm) longueur d'onde (µm)

(60)

(61)

0 10 20 30 40 50 60 70 0,0

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

± 20 % de dipôles verticaux

λ = 0,7 µm

TE mesuré TE calculé TM mesuré TM calculé

angle d'émission (deg)

(62)

(63)

1,6 1,8 2,0

0,8 0,7 0,8 0,7

1,6 1,8 2,0

0°

5°

10°

15°

20°

25°

30°

35°

40°

TE

énergie (eV)

TM

énergie (eV) longueur d'onde (µm) longueur d'onde (µm)

(64)

(65)

18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

0 10 20 30 40

couche simple

a) TE mesuré

TM mesuré TE calculé TM calculé

λ = 0,7 µm

(cavité) b) TE

TM

numéro de couche

calcul sans absorption c)

angle d'émission (deg) TE

TM

(66)

(67)

(68)

a) absorption b) diffusion c) fuites

(69)

(70)

(71)

(72)

β

βm βm β

a) mode idéal b) mode avec pertes

P_x

∆β≈ αm

P_x

(73)

n₁

z

x n₂

n₃

n_sub e₂

e₃ Φ||g Φ||d

Φ_⊥^sub Φ_⊥^ext (x₀, 0, z_ext)

(x₀+ ∆x, 0, z_sub)

(74)

(75)

(76)

0,0 0,1 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 10^-6

10^-4 10^-2 10⁰ 10²

0,0 0,5 5 6 7 8

coefficient d'atténuation α (µm-1 )

indice effectif n_eff

II III I

Φ_⊥^ext = −Φ_⊥^sub Φ_||

flux d'énergie Φ (u. arb.)

constante de propagation β (µm^-1)

(77)

(78)

0,0 0,1 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 10^-2

10^-1 10⁰ 10¹

0,0 0,5 5 6 7 8

coefficient d'atténuation α (µm-1 )

indice effectif n_eff Φ_⊥^sub = 0

Φ_⊥^ext Φ_||

flux d'énergie Φ (u. arb.)

I II III

constante de propagation β (µm^-1)

(79)

(80)

1,0 1,5 2,0 2,5

1,66 1,68 1,70 1,72 1,74 1,76 1,78

2,42,2 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 TE

TM

n eff = n 3 n eff = n 2

indice effectif n_eff

rapport e2/λ longueur d'onde λ (µm) pour e2 = 1,5 µm

(81)

-1 0 1 2 3 4 5 6 -1,0

-0,5 0,0 0,5 1,0 1,0 1,5

TE₁ TE₀

champ E (normalisé)

profondeur z (µm)

indice n

(82)

0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 T M

T E

L2 = 3,0 mm L1 = 1,4 mm

L₂ = 3,0 mm

L₂ = 1,4 mm

longueur d'onde λ (µm) intensité transmise I (u. arb.)intensité transmise I (u. arb.)

1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1 0,9 0,8

énergie (eV)

(83)

(84)

0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 10^-2

10^-1 10⁰ 10¹ 10²

pertes globales du guide d'onde en silicium poreux

absorption

du silicium poreux

absorption

du silicium massif

longueur d'onde λ (µm)

coefficient d'atténuation α (cm-1 )

1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1 0,9 0,8

énergie (eV)

(85)

0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 10^-1

10⁰ 10¹

longueur d'onde λ (µm) coefficient d'atténuation α (cm-1 )

1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1 0,9 0,8

mesure

diffusion de surface diffusion d

e volume

TE₀ TM₀ énergie (eV)

(86)

(87)

0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 0

5 10 15

intensité diffusée (u. arb.)

1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1 0,9 0,8

TM TE énergie (eV)

(88)

-1 0 1 2 3 4 5 6 1,0

1,2 1,4 1,6 3,5 4,0

Λ

n_sub

n₁

nc n_L

n_H

indice

profondeur z (µm)

(89)

(90)

0

1 0,5 1,0 1,5 2,0

ω = c^β^/

n ^c

ω = c^β

T E

constante de propagation réduite βΛ/2π 0,5

1,0 1,5

2,0 0,5 1,0 1,5 2,0

ω = c_β

/n

c

fréquence réduite ωΛ/2πc

constante de propagation réduite βΛ/2π ω =

c_β

T M

réflectivité

3,53 2,5 2 1,5 1 0,5

(91)

(92)

0 1 2 0

1 2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8

1,5 1,0

0,5

T E

constante de propagation réduite β/K 0,0

0,5 1,0

1,5

constante de propagation réduite β/K

T M 1,75

1,5 1,25 1 0,75 0,5

transmission (u. arb.)

fréquence réduite ω/cK

(93)

0,0 0,5 1,0

-1 0 1 2 3 4 5 6

1,0 1,2 1,4 1,6 3,5 λ = 1,1 µm , TE, n_eff = 1,12520 4,0

indice

profondeur z (_µm )

puissance guidée P || (u. arb.)

(94)

0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 0

5 10 15 20 25 30 35 40 0 1 2 3 4

1 0,9 0,8 0,7

b )

T M

T E

coefficient d'atténuation α (cm-1 )

a)

L = 1,2 mm

L = 0 T E

photoluminescence (u. arb.)

PL(L)

(95)

0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 0,01

0,1 1 10 100 1000

mesure TE mesure TM

fuites TM

fuites TE atténuation α (cm-1 )

(96)

(97)

(98)

(99)

k_||

k_x ω

x y

z

n₁

n₃ n₂

n₁

n₃

n₂+ ∆n(x,z) Λ a)

b)

ω

K/2 0

(100)

(101)

(102)

Re(β) ω

β⁺^l

qK –β

-m

( )

β~+^l

Re

( )

β~+^l

Im

β0

bande interdite

(103)

(104)

(105)

L

échantillon injection

collection

(106)

1,5 1,4 1,3 1,2 1,1

0,01 0,1 1

T M

0,4 0,5

β/K 1,5

1,4 1,3 1,2 1,1

0,01 0,1 1

T E

0,4 0,5

β/K

0,30 0,32 0,34 0,36 0,38 0,40 0,42

(107)

(108)

1,5 1,4 1,3 1,2

0,01 0,1 1

T M

0,4 0,5

β/K 1,5

1,4 1,3 1,2

0,01 0,1 1

T E

0,4 0,5

β/K

0,30 0,32 0,34 0,36 0,38

(109)

(110)

2,0 1,5 1,0 0,5 0,0

0,0 0,5 1,0

couche guidante

gaine

no (TE) profondeur z (µm)

position dans le plan x (µm)

1,250 1,350 1,450 1,550 1,650 1,700

0,0 0,5 1,0

n_e (TM )

(111)

(112)

(113)

(114)

0,30 0,32 0,34 0,36 0,38 0,40 φ = 0°

φ = 10°

φ = 20°

φ = 30°

TM

φ

φ = 30°

φ = 20°

φ = 10°

φ = 0°

TE

1,5 1,4 1,3 1,2 1,1

(115)

0,32 0,33 0,34 0,35 0,36 0,37 10^-4

10^-3 10^-2 10^-1 10⁰

TE

(116)

k_x k_y K

modes guidés cône de lumière

(117)

1 0,9 0,8 0,7 0,6 1 0,9 0,8 0,7 0,6

0,5 0,6 0,7 0,8

0°

5°

10°

15°

20°

25°

30°

35°

40°

45°

50°

55°

60°

65°

70°

75°

θ_x 80°

θ_y TE

photoluminescence (u. arb.)

0,5 0,6 0,7 0,8

θ_x θ_y TM

fréquence réduite ω/cK longueur d'onde _λ (_µm) longueur d'onde _λ (_µm)

(118)

(119)

(120)

(121)

(122)

(123)

(124)

(125)

(126)

L plan du guide

émetteur

θobj

λ: longueur de tranche analysée y

(127)

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 0,0

0,5 1,0

I/I 0

L/L0

(128)

(129)

(130)

(131)

(132)

(133)

(134)

(135)

(136)

(137)

(138)

(139)

(140)

(141)