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�

n₁

n₂ milieu 1

milieu 2

z x

a₁ b₁ y

b₂ a₂

n₁

n₂ z

x y

n₃

TE₀ TE₁

e₂

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

z x

y

n₂ n₁

a) b) _0,0

0,5 1,0

bande interdite

réflectivité

fréquence Λ

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

F F

H H

+ 2HF

SiF₆^2–+ 2H⁺ A

E

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 (%)

temps

densité de courant

Si

anodisation de la première couche

anodisation de la seconde couche

HF

b)

substrat de silicium

fenêtre CaF₂ électrode en inox électrode de platine

électrolyte conduits

remplissage/vidange

cellule d'électrolyse laser Ar⁺

TEM₀₀

télescope + filtre spatial

séparatrice 50/50

Λ θ

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)

diaphragme de champ θ

diaphragme d'ouverture

échantillon analyseur optique

multicanal

monochromateur faisceau

de pompe

filtre passe-haut

polariseur

objectif de microscope

échantillon hacheur

fente 50 µm lampe

tungstène

×25

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

objectif de microscope

échantillon

hacheur fente

0,5 mm ×4

laser Ar⁺ λ= 457,9 nm

Ø 1,5 mm

L

objectif de microscope échantillon ×15

monochromateur

photomultiplicateur

caméra polariseur

fente du spectromètre

substrat sous-couche

guide

zones éclairées

air

a) b)

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)

z



 Eext

0



 0 E_sub

>

↓

↑

 E

< E

↓

↑

 E E

extérieur substrat

plan de dipôles

(a) (b)

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)

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

photoluminescence (u. a.)

angle d'émission (deg)

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

photoluminescence (u. a.)

énergie (eV)

TM

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

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

photoluminescence (u. a.)

(cavité) b) TE

TM

numéro de couche

photoluminescence (u. a.)

calcul sans absorption c)

photoluminescence (u. a.)

angle d'émission (deg) TE

TM

a) absorption b) diffusion c) fuites

β

βm βm β

a) mode idéal b) mode avec pertes

P_x

∆β≈ αm

P_x

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)

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)

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)

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

-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

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)

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)

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)

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

5 10 15

longueur d'onde λ (µm)

intensité diffusée (u. arb.)

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

TM TE énergie (eV)

-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)

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

longueur d'onde λ (µm)

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

longueur d'onde λ (µm)

transmission (u. arb.)

fréquence réduite ω/cK

transmission (u. arb.)

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.)

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 )

fréquence réduite ω/cK

a)

L = 1,2 mm

L = 0 T E

photoluminescence (u. arb.)

longueur d'onde λ (µm)

PL(L)

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 )

longueur d'onde λ (µm)

k_||

k_x ω

x y

z

n₁

n₃ n₂

n₁

n₃

n₂+ ∆n(x,z) Λ a)

b)

ω

K/2 0

Re(β) ω

β^+l

qK –β

-m

( )

Re

( )

Im

β0

bande interdite

L

échantillon injection

collection

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

0,01 0,1 1

T M

transmission (u. arb.)

longueur d'onde λ (µm)

0,4 0,5

β/K 1,5

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

0,01 0,1 1

longueur d'onde λ (µm)

transmission (u. arb.)

T E

0,4 0,5

β/K

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

fréquence réduite ω/cK

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

fréquence réduite ω/cK

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

0,01 0,1 1

T M

transmission (u. arb.)

longueur d'onde λ (µm)

0,4 0,5

β/K 1,5

1,4 1,3 1,2

0,01 0,1 1

longueur d'onde λ (µm)

transmission (u. arb.)

T E

0,4 0,5

β/K

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

fréquence réduite ω/cK

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

fréquence réduite ω/cK

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 )

0,30 0,32 0,34 0,36 0,38 0,40 φ = 0°

φ = 10°

φ = 20°

φ = 30°

TM

fréquence réduite ω/cK

transmission (u. arb.)

φ

φ = 30°

φ = 20°

φ = 10°

φ = 0°

TE

transmission (u. arb.)

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

longueur d'onde λ (µm)

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

10^-3 10^-2 10^-1 10⁰

TE

transmission (u. arb.)

fréquence réduite ω/cK

k_x k_y K

modes guidés cône de lumière

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.)

fréquence réduite ω/cK

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)

L plan du guide

émetteur

θobj

λ: longueur de tranche analysée y

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

0,5 1,0

I/I 0

L/L0