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Flores Esparza, Sergio Iván. CALAM : Cavités actives laser à autocollimation mésoscopique

Flores Esparza, Sergio Iván (2022). CALAM : Cavités actives laser à autocollimation mésoscopique.

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Résumé en francais

Les cristaux photoniques sont des structures périodiques qui présentent des propriétés dispersives remarquables. Elles permettent de manipuler, filtrer, guider et façonner la lumière à l'échelle de la longueur d'onde, ouvrant la voie à l'ingénierie photonique sur puce, hybride ou intégrée. Depuis les années 1990, les efforts de recherche se focalisent sur l'exploitation des ouvertures de bandes interdites dans les composants à défauts, pour guider et confiner la lumière. En 1999 de nouveaux effets ont été mis en évidence, reposant entièrement sur les propriétés dispersives des cristaux photoniques, permettant la conception des multiplexeurs optiques et des filtres ultra-sélectifs et des guides à autocollimation. L'autocollimation exploite les propriétés dispersives du cristal pour contenir l'étalement transverse d'un faisceau et assurer une propagation "auto-guidée". Ceci se produit en absence de diaphonie (ou "cross-talking") entre deux faisceaux se propageant dans le cristal, ce qui permet de concevoir des interconnections photoniques multi-canaux. Ce guidage se produit en tout point du milieu, il n'est pas nécessaire de superposer un faisceau incident avec un défaut ou un guide à contraste d'indice, ce qui exige des alignements précis avec des tolérances submicroniques. Cependant, les cristaux photoniques présentent des pertes planaires aux interfaces, ce qui complique l'injection et l'extraction de lumière et le fort facteur de remplissage en air du milieu ne permet pas de combiner l'autocollimation à d'autres phénomènes tel que l'effet laser. A partir de l'année 2012 un nouvel effet a été mis en avance : l'autocollimation mésoscopique (MSC), qui permet de guider la lumière dans un milieu alternant cristal photonique et matériau homogène haut indice et d'améliorer drastiquement l'injection et l'extraction de lumière. Ce phénomène a lieu suivant des direction arbitraires et parfois sous le cône de lumière. Dans les cavités lasers à MSC le milieu homogène agit en tant que milieu actif, on obtient donc une émission laser "auto-guidé" ; puis, en jouant avec la taille de chaque milieu, il est possible de concevoir des miroirs plans à haute acceptance angulaire. Nous obtenons donc des cavités Fabry-Pérot ultracompactes. Cette thèse s'inscrit sur la suite des recherches sur ces cavités laser et cherche à produire la première démonstration expérimentale. Nous développons un modèle de conception paramétrique, à très faible coût numérique, pour concevoir des structures MSC dans des directions arbitraires. Pour cela nous établissons une équation d'autocollimation généralisée et établissons dès le départ ses conditions de validité, tout en minimisant les pertes optiques planaires et hors du plan. Nous introduisons également une métrique qui permet de comparer la qualité de l'autocollimation entre différentes structures. Dans un deuxième temps, nous nous intéressons au développement d'un procédé de fabrication membranaire, dans la filière III-V, qui préserve le milieu actif et qui minimise les pertes optiques provenant des défauts de fabrication. Notre point de départ est un procédé de fabrication mis au point en 2011 qui présente des limitations notables. Certaines étapes de ce procédé sont incompatibles avec les technologies MOS et donc limitent leur utilisation dans des circuits intégrés. D'autres étapes introduisent des défauts susceptibles de créer des sites de recombinaisons non radiatives qui augmentent les pertes optiques. Les différentes étapes ont dont dues être améliorées ou repensées et l'ensemble du procédé a aussi dû être adapté aux nouvelles machines présentes en salle blanche, qui n'ont jamais été testées pour la fabrication des cristaux photoniques.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Monmayrant, Antoine
Gauthier-Lafaye, Olivier
Ecole doctorale:Génie électrique, électronique, télécommunications (GEET)
laboratoire/Unité de recherche :Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (LAAS) - CNRS
Mots-clés libres :Cristaux photoniques - Cavités lasers - Fabrication salle blanche - Semiconducteurs III-V - Autocollimation mésoscopique
Sujets :Physique
Déposé le :27 Apr 2022 13:29