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Circuits photoniques en SiGe pour le moyen-infrarouge : génération de peignes de fréquences électro-optiques et de supercontinuum

Year: 2025
Type: dissertation
Abstract: L'intégration sur puce de systèmes de spectroscopie moyen-infrarouge représente un moyen de les rendre plus accessibles. Dans ce contexte, la photonique silicium (Si) fournit un support attractif pour y parvenir de part les processus de fabrication qu'elle offre. Pour surmonter les limitations des matériaux utilisés en photonique Si standard, dues à l'absorption de la silice (SiO2) au delà de 3.5 µm et du Si au delà de 7 µm de longueur d'onde, la plateforme silicium-germanium (SiGe) à gradient de composition riche en Germanium (Ge) représente un candidat potentiel. En plus d'étendre la gamme de longueur d'onde accessible par la photonique Si, elle permet de conserver la compatibilité avec les processus de fabrication CMOS à grand volume. L'objectif de ce travail de thèse est de transformer les sources lumineuses existantes dans le moyen-infrarouge en sources large-bande nécessaires à la réalisation d'un tel système de spectroscopie intégrée.La première partie de cette thèse traite de la possibilité de porter les technologies développées au sein du groupe sur la plateforme d'une échelle académique à une échelle industrielle, grâce à l'utilisation de plaque de 200 mm obtenues en collaboration avec le CEA-LETI. Pour ce faire, des guides d'ondes ont été fabriqués et ont démontré des performances de premier plan, avec des pertes de propagation mesurées entre 0.2 et 0.4 dB/cm dans la gamme spectrale 5 - 7 µm. Une analyse détaillée des sources de pertes a révélé qu'elles ne proviennent pas du procédé de fabrication mais de propriétés intrinsèques au matériau. Cette étude démontre la viabilité des technologies développées par la collaboration entre le C2N et le L-NESS (Politecnico di Milano) jusqu'alors, tout en proposant des pistes d'amélioration des performances passives des dispositifs.La seconde partie rapporte la démonstration de la génération directe de peignes de fréquences électro-optiques autour de 8 µm de longueur d'onde, en utilisant des modulateurs intégrés sur la plateforme SiGe. Ces modulateurs, basés sur une jonction Schottky, fonctionnent principalement en modulation d'amplitude, ce qui limite le nombre de raies optiques qu'il est possible de générer de manière classique. J'ai démontré que l'utilisation de trains d'impulsions électriques permettait de générer un grand nombre de raies optiques, et ce malgré une profondeur de modulation encore limitée des modulateurs démontrés jusqu'alors. La démonstration expérimentale d'un peigne de fréquences électro-optique de plus de 240 raies a été réalisée à l'aide de sources électriques compactes. Cette démonstration ouvre la voie à la réalisation de spectromètres intégrés à double peigne sur puce.Finalement, les propriétés non-linéaires des alliages SiGe riches en Ge ont été exploitées afin de démontrer la possibilité de la génération d'un supercontinuum avec de faibles puissances de pompe. Un supercontinuum s'étendant sur la gamme spectral de 4 - 11 µm a été généré à l'aide d'une puissance optique de pompe crête de seulement 311 W, représentant la plus faible puissance de pompe démontrée à ce jour dans cette gamme de longueur d'onde pour générer un spectre s'étendant sur une octave. Cette démonstration ouvre la voie à la génération de supercontinua par le biais de lasers à cascade quantique pompés électriquement, permettant la réalisation de sources large-bande et cohérentes intégrées.En conclusion, ce travail a permis de valider la faisabilité d'une plateforme SiGe à l'échelle industrielle et performante, ainsi que de démontrer la faisabilité de l'utilisation de sources intégrées moyen-infrarouge pour la génération de spectres large-bande pour la création de systèmes de spectroscopie intégrés pompés électriquement.
DOI: 10.70675/17fe902fz09f5z4698z82aezac4523074e67
Language: English
Open Access status: green
OpenAlex ID: W7130241597
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