Rare-earth doped crystalline oxide on silicon photonics platform

Oxyde cristallin dopé aux terres-rares sur plateforme photonique silicium Depuis le début du 20e siècle avec le développement des télécommunications, de nouveaux designs et matériaux ont été étudiés pour la recherche de dispositifs photoniques à faible consommation d'énergie sur des plateformes à base de silicium pour des applications en data-com, télécommunications, détection ou optique quantique. En raison de sa bande interdite indirecte, le silicium est un matériau photoluminescent très peu efficace. Pour cette raison, l'intégration hybride d'autres matériaux pour l'amplification optique est l’objet d’études actuelles. L'un des principaux handicaps de la croissance de matériaux cristallins sur des plateformes silicium se trouve dans le désaccord de paramètre de maille avec le silicium qui introduit des contraintes et des défauts dans le matériau intégré. À cette fin, l'ingénierie des matériaux optiques pour l'intégration photonique est devenue un sujet de recherche intense visant à fournir des fonctionnalités supplémentaires. À cet égard, les oxydes fonctionnels constituent une classe de matériaux très intéressante en raison de leurs propriétés pour la photonique. L'ingénierie des matériaux est couramment utilisée pour régler et manipuler ces propriétés à volonté, les oxydes fonctionnels étant souvent utilisés pour construire des éléments reconfigurables actifs dans des systèmes complexes. Les oxydes transparents avec des indices de réfraction modérés sont ciblés pour l'intégration hybride en raison des avantages envisagés. L'adaptation des réseaux cristallins à l'aide d'une couche possédant un paramètre de maille entre celui du silicium et de l'oxyde fonctionnel est une solution élégante pour faire croître par épitaxie des films d'oxydes fonctionnels cristallins de haute qualité et pour éviter l'interdiffusion entre le substrat et le matériau oxyde. Cette technique nécessite une couche tampon pour garantir des interfaces de qualité, en maintenant la diffusion de la lumière et la densité de défauts au minimum. La zircone stabilisée à l'yttria (YSZ) est un oxyde tampon bien connu pour d'autres oxydes fonctionnels. Parmi ses propriétés, il faut noter : la stabilité chimique, la transparence du visible au moyen-IR, un indice de réfraction autour de 2,15, ce qui rend cet oxyde fonctionnel intéressant pour le développement de guides d'ondes à faibles pertes lorsqu'il est déposé sur un substrat à faible contraste. Bien que ces propriétés optiques soient très intéressantes pour diverses applications, y compris les communications et la détection optiques sur puce, YSZ est resté presque inexploré en photonique. Après avoir démontré de faibles pertes de propagation de 2 dB / cm à une longueur d'onde de 1380 nm dans des guides d'ondes de YSZ hautement monocristallins, nous avons envisagé d'explorer ce matériau pour l'amplification optique. Dans cette thèse, nous explorons le dépôt de couches minces d’YSZ dopées Er³⁺ par ablation laser pulsé (PLD) en monocouche et en multicouche fournissant une luminescence dans la bande C de la fenêtre de télécommunications (λ= 1,5 μm) et dans le domaine du visible de longueurs d'onde. Les caractérisations structurale et optique ont montré que ce matériau est efficace optiquement et présente une forte photoluminescence à des longueurs d'onde de 1530 et 1535 nm. Après ces caractérisations, nous avons intégré ce matériau comme «cladding» sur des guides d'ondes SiNx. Les pertes de propagation et l'amplification optique à 1530 et 1535 nm en utilisant différentes techniques de pompage sont discutées dans cette thèse. De plus, l'approche multicouche utilisée pour Er³⁺ a été explorée pour d'autres terres rares tels que le Pr³⁺. À ce sujet, les résultats de caractérisation structurale et optique de l'émission d’YSZ dopé Pr³⁺ à 1350 nm dans la bande O de la fenêtre de télécommunication (λ= 1,3 μm) ouvrent la voie à la mise en œuvre et à l'interaction de matériaux terres rares dopés dans YSZ émettant dans le proche-IR.