Etude et réalisation de structures bidimensionnelles à bandes photoniques interdites pour le domaine optique et proche infrarouge

Abstract

Un cristal photonique est une structure composite dont l'arrangement des matériaux est périodique a l'échelle de la longueur d'onde. La périodicité permet l'apparition de bandes photoniques interdites : domaines de fréquences pour lesquels la lumière ne peut pas se propager dans la structure, quelles que soient sa polarisation et sa direction de propagation. Deux types de dispositifs mettant en ceuvre des cristaux photoniques à deux dimensions ont été étudiés, pour les longueurs d'onde des télécommunications optiques entre 1,3 et l,55mM. Leur modélisation utilise la méthode mathe matique rigoureuse des ondes couplées (RCWA). Le premier composant, pour l'optique guidée, utilise un substrat de silicium sur isolant (SOI). Le cristal photonique à deux dimensions est gravé dans le film de silicium : des réseaux de diffraction permettent le couplage et le découplage de la lumière dans le guide. Plusieurs types de substrats ont été considérés pour lesquels nous avons étudié la propagation des ondes guidées puis avons dîmensionné les coupleurs et le enstal photonique. Pour modéliser ces cristaux, en optique intégrée, nous avons utilisé un calcul approché basé sur la méthode RCWA qui permet de déterminer avec une bonne approximation leurs propriétés optiques. Un deuxième composant a été étudié et réalisé pour l'optique diffractive. Il est obtenu en gravant un réseau de traits dans une ou plusieurs des couches d'un empilement périodique. Lorsque toutes les couches sont gravees, ces structures, possédant deux directions de périodicité et constituées de trois matériaux différents, constituent des cristaux photoniques 2D non conventionnels. Nous avons montré la possibilité de réaliser, avec ces structures, des miroirs, des filtres, polarisants ou non, dispersifs ou non. Nous avons montré la faisabilité des structures multicouches (silicium / nitrure de silicium) gravées sur membrane en utilisant la gravure par faisceau d'ions focalisé.A photonic crystal is a composite structure with periodically arranged materials at the wavelength scale. The periodicity allows the opening of photonic band gaps i.e. frequency ranges for which light can not propagate in the structure, whatever its polarization or propagation direction. Two types of components, implementing two-dimensional photonic crystals, have been studied, for the optical telecommunication wavelengths between 1.3 and 1.55mM. Their modeling is carried out using the mathematical Rigorous Coupled-Wave Analysis (RCWA) method. The first component, for guided optics, is based on a silicon-on-insulator (SOI) substrate. The two-dimensional photonic crystal is etched in the silicon film; diffraction gratings allow in and out coupling of light. Several substrates have been considered for which we have studied the propagation of guided waves. Then we have dimensioned the couplers and photonic crystal. To model these crystals, in integrated optics, we have used an approximate calculation based on the RCWA method which enables the determination of their optical properties with a good approximation. A second component has been studied and realized for diffractive optics. It is obtained by etching grooves through one or several layers of a one-dimensional stack. As all the layers are etched, the structures, having two directions of periodicity and being made out of three different materials, constitute non-classical 2D photonic crystals. We have shown the possibility to realize, with those structures, mirrors and filters, dispersive or not, polarizing or not. We have shown the feasibility of etching multilayer (silicon /silicon nitride) structures on membranes using a focused ion beam etching.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF