Guides d'onde à base de GaAs à basse température : vers un modulateur électro-optique intégré pour le moyen infrarouge.

Overview & Synopsis

La modulation rapide d'amplitude et de phase est essentielle pour de nombreuses applications, notamment la stabilisation d'amplitude/fréquence laser, la détection cohérente, la spectroscopie FM/AM et la détection de gaz, le verrouillage de modes, les communications optiques, les contre-mesures militaires, etc.Malgré de récents résultats encourageants, dans la gamme du moyen infrarouge (MIR, ~ 3-12 μm), les modulateurs restent largement sous-développés, ce qui freine les progrès de la photonique MIR. Jusqu'à présent, dans cette gamme spectrale, les seuls dispositifs disponibles dans le commerce sont (i) des modulateurs acousto-optiques en Ge bulk avec des bandes passantes de modulation étroites (~1 MHz) et pouvant atteindre des fréquences de modulation de ~100 MHz ; (ii) des modulateurs de phase électro-optiques résonants à bande étroite (~100 kHz), à base de GaAs et de CdTe bulk avec des fréquences pouvant atteindre ~20 GHz.Dans le cadre de ma thèse, j'ai étudié expérimentalement la possibilité de réaliser un modulateur électro-optique MIR large bande (~1-40 GHz) basé sur GaAs. L'objectif est de démontrer la faisabilité d'un dispositif entièrement intégré, compatible avec les plateformes photoniques MIR actuellement en cours de développement. Le dispositif proposé est un modulateur à ondes progressives basé sur un guide d'onde MIR composé d'un cœur en GaAs et de couches de confinement de Al0.52In0.48P en accord de maille pour le confinement vertical. Ce guide d'onde est intégré dans une ligne de transmission micro-onde pour la propagation du signal de modulation.Dans la première partie de la thèse, par simulation FDTD/HFSS j'étudie et optimise (dans la gamme ~ 8-10 μm) deux modulateurs basés respectivement sur une ligne micro-onde microruban et une ligne coplanaire. L'objectif principal de cette étude est d'aboutir à une géométrie permettant de minimiser la distance entre les électrodes métalliques de la ligne de transmission, tout en maintenant des pertes ohmiques MIR raisonnables (~< 2dB/cm). De cette manière, on maximise le retard de phase électro-optique pour une tension appliquée donnée. Afin de permettre l'utilisation de tensions élevées, pour le cœur du guide d'onde nous avons choisi du GaAs obtenu par croissance à basse température, qui présente une résistivité d'environ 6 ordres de grandeur supérieure à celle du GaAs épitaxial, ainsi que des champs de claquage > 100÷200kV/cm.Dans la deuxième partie de la thèse, j'ai caractérisé expérimentalement les guides d'ondes MIR fabriqués. Pour ce faire j'ai mis en place un banc optique basé sur un laser à cascade quantique monomode, permettant de mesurer, en transmission, l'amplitude des oscillations Fabry-Pérot autour de 8,3 μm de longueur d'onde. Avec ce banc, j'ai mené une étude systématique des pertes de propagation MIR en fonction des dimensions du guide d'onde et de la configuration des électrodes, démontrant, à ma connaissance pour la première fois, que le GaAs basse température (GaAs-BT) est non seulement adapté à la fabrication de guides d'onde MIR, mais permet également d'atteindre des pertes de propagation à l‘état de l'art, avec des valeurs inférieures à 1 dB/cm. Mon étude met également en évidence le rôle crucial de la rugosité des parois latérales dans la détermination des pertes de propagation. Les guides d'onde sont obtenus par MBE sur un substrat de GaAs semi-isolant et reposent sur un cœur de GaAs-BT partiellement gravé, situé au-dessus d'une couche de Al0.52In0.48P de 7 μm d'épaisseur, afin de réduire les pertes par rayonnement. En utilisant ce guide d'onde, je présente, dans la dernière partie de la thèse, la première tentative de caractérisation d'un modulateur basé sur une ligne micro-onde coplanaire.