Faculté des sciences de base SB, Section de physique, Institut de photonique et d'électronique quantiques IPEQ (Laboratoire de physique des dispositifs semiconducteurs LPDS)

Etude et réalisation de cristaux photoniques pour l'optique intégrée

Lombardet, Benoît ; Houdré, Romuald (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3254.

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    Summary
    Photonic crystals are periodic dielectric structures, where the periodicity varies on the wavelength scale. Analogous to electrons in semiconductors, the photon propagation can be described using a band structure in which transmission bands are separated by bandgaps, energy ranges at which light cannot exist inside the photonic crystals. This analogy suggests that photonic crystals may be suitable to fabricate the components needed for integrated optics. As yet most of the research done on photonic crystals has been focussed on using these bandgaps. However, many novel properties of light propagating in the transmission bands may also serve this purpose. This thesis studies theoretically and experimentally the light propagation in two dimensional planar photonic crystals with the aim of creating new components for integrated optics. A theoretical model based on Fourier analysis of electromagnetic Bloch waves was developed to describe light propagation in photonic crystals. This model gives an intuitive understanding of the novel phenomena observed in the transmission bands of the photonic crystal: negative refraction, auto-collimation and super-dispersion. This new approach clarifies the fundamental physics of these phenomena enabling their advantages and disadvantages to be easily evaluated for new optical functions; particular attention is paid to auto-collimation. The influence of the structural properties of the photonic crystal (lattice type, filling factor, etc.) is also studied and has been used to create two integrated optic components: a light condenser and a wavelength demultiplexer. The theoretical predictions have been tested experimentally on two dimensional planar photonic crystals fabricated in heterostructure GaAs/AlxGa1-xAs. The fabrication of these photonic crystals was the first experimental work undertaken in this thesis. Advanced microfabrication techniques enabled the fabrication of planar photonic close to those of the state-of-the-art. The optical properties of the fabricated photonic crystals fabricated were studied using the internal light source technique. This method uses photoluminescence generated by quantum wells or quantum dots as an internal light source to probe the optical properties of the photonic crystals. Initially the experimental setup was designed to study the bandgaps. However after some modifications the transmission bands could also be investigated. Another experimental improvement made was the introduction of a technique using coupled waveguides which reduces the losses by a factor of 10 and allowed the light in the photonic crystals to be studied over long distances. Adding a spatially resolved vertical detection, enabled the analysis of the light diffracted out of the plane in order to measure the propagation losses and to map the electromagnetic field. These two modifications were used to study components for integrated optics based on photonic crystals: waveguides and auto-collimators.
    Résumé
    Les cristaux photoniques sont des structures dont la constante diélectrique est modulée de façon périodique. A l'image des électrons dans les semi-conducteurs, les photons y sont répartis en bandes de transmission séparées par des bandes d'énergies interdites. Cette analogie permet d'envisager l'utilisation des cristaux photoniques comme matériaux de base pour la réalisation de composants pour l'optique intégrée. La plupart des recherches mettent à profit la bande interdite photonique mais les propriétés originales des bandes de transmission peuvent aussi être utilisées. Ce travail de thèse étudie au niveau théorique et expérimental la propagation de la lumière dans les cristaux photoniques 2D planaires pour réaliser de nouveaux composants pour l'optique intégrée. Un modèle théorique est proposé pour décrire la propagation de la lumière dans les cristaux photoniques. Cette description est fondée sur l'analyse de Fourier des ondes de Bloch électromagnétiques. Elle offre une compréhension intuitive des phénomènes originaux observés dans les bandes de transmission des cristaux photoniques: réfraction négative, auto-collimation et super-dispersion. Cette approche clarifie les fondements physiques de ces phénomènes et met en évidence leurs atouts et limites pour réaliser de nouvelles fonctionnalités optiques. Le phénomène d'auto-collimation fait l'objet d'une attention particulière. L'influence des propriétés structurelles du cristal photonique (type de réseau, facteur de remplissage, etc) est étudiée et utilisée pour réaliser deux composants pour l'optique intégrée: un condenseur de lumière et un filtre démultiplexeur de longueurs d'onde. Les cristaux photoniques 2D planaires fabriqués sur hétérostructure GaAs/AlxGa1-xAs servent de support pour valider expérimentalement les résultats théoriques. Le développement du procédé de fabrication de ces cristaux photoniques constitue la premier aspect expérimental de ce travail de thèse. L'utilisation de technologies avancées de micro-fabrication a permis de réaliser des cristaux photoniques planaires sur hétérostructure GaAs/AlxGa1-xAs proches de l'état de l'art. Les propriétés optiques des cristaux photoniques fabriqués sont étudiées avec la technique de la source interne. Cette méthode utilise la photoluminescence de puits ou boîtes quantiques comme source de lumière interne pour sonder les cristaux photoniques. Cette technique a été conçue initialement pour étudier la bande interdite photonique. Nous proposons deux adaptations qui facilitent l'étude des bandes de transmission. La technique des guides couplés réduit d'un facteur 6 les pertes de propagation et permet d'étudier la propagation de la lumière dans les cristaux photoniques sur de longues distances. La technique de détection frontale résolue spatialement analyse la lumière diffractée hors plan pour mesurer les pertes de propagation et cartographier le champ électromagnétique. Ces deux extensions sont appliquées à l'étude de composants pour l'optique intégrée à base cristaux photoniques: guides d'onde et auto-collimateurs.
    Riassunto
    Riassunto I cristalli fotonici sono delle strutture in cui la costante dielettrica é modulata periodicamente. Come gli elettroni nei semiconduttori, in tali cristalli i fotoni si distribuiscono in bande di trasmissione separate da bande d'energia proibite. Questa analogia permette di considerare i cristalli fotonici come materiali di base per la realizzazione di componenti per l'ottica integrata. La maggior parte delle ricerche si concentrano sulla banda fotonica proibita, ma anche le proprietà originali delle bande di trasmissione possono essere utilizzate. In questa Tesi sono state studiate a livello sia teorico che sperimentale la propagazione della luce in cristalli fotonici planari per la realizzazione di nuovi componenti per l'ottica integrata. Un modello teorico è proposto al fine di descrivere la propagazione della luce nei cristalli fotonici. Tale descrizione, basata sull'analisi di Fourier delle onde di Bloch elettromagnetiche, offre una spiegazione intuitiva dei fenomeni originali osservati nelle bande di trasmissione dei cristalli fotonici: rifrazione negativa, auto-collimazione e super-dispersione. Questo approccio chiarisce i fondamenti fisici di tali fenomeni ed evidenzia i loro vantaggi e svantaggi per la realizzazione di nuove funzioni ottiche. Il fenomeno dell'auto-collimazione è trattato diffusamente. L'influenza delle proprietà strutturali del cristallo fotonico (tipo di reticolo cristallino, fattore di riempimento, etc.) è studiata e utilizzata per la realizzazione di due componenti per l'ottica integrata: un condensatore di luce e un filtro separatore (demultiplexer) di lunghezze d'onda. Cristalli fotonici planari fabbricati su eterostrutture GaAs/AlxGa1-xAs sono stati utilizzati come supporto per validare sperimentalmente i risultati teorici. Lo sviluppo del procedimento di fabbricazione di questi cristalli fotonici costituisce la prima parte sperimentale di questa Tesi. L'uso di tecnologie avanzate di micro-fabbricazione ha permesso di realizzare dei cristalli fotonici planari su eterostrutture GaAs/AlxGa1-xAs con caratteristiche prossime alle strutture considerate come stato dell'arte. Le proprietà ottiche dei cristalli fotonici fabbricati sono studiate per mezzo della tecnica detta della sorgente interna. Questo metodo utilizza la fotoluminescenza di buche o punti quantici come sorgente interna di luce per sondare i cristalli fotonici. Questa tecnica é stata inizialmente concepita per studiare la banda fotonica proibita. Due evoluzioni di tale tecnica sono proposte per lo studio delle bande di trasmissione. La tecnica delle guide accoppiate riduce di un fattore 6 le perdite di propagazione e permette di studiare la propagazione della luce nei cristalli fotonici su lunghe distanze. La tecnica di detezione frontale risolta spazialmente analizza la luce diffratta fuori del piano di trasmissione per misurare le perdite di propagazione e mappare il campo elettromagnetico. Queste due estensioni sono applicate allo studio di componenti per l'ottica integrata a base di cristalli fotonici: guide d'onda e auto-collimatori.
    Zusammenfassung
    Photonische Kristalle sind Strukturen deren Dielektrizitätskonstante periodisch variiert. Photonen in einem Photonischen Kristall sind in erlaubte Energiebänder aufgespalten, die durch verbotene Energielücken getrennt sind, ähnlich wie Elektronen in einem Halbleiter. Wegen dieser Analogie können Bauelemente basierend auf Photonischen Kristallen in der integrierten Optik verwendet werden. Viele untersuchte Ansätze beruhen auf der verbotenen Energielücke, aber die besonderen Eigenschaften der erlaubten Energiebänder können ebenso benutzt werden. Diese Arbeit befasst sich mit den theoretischen und experimentellen Grundlagen der Lichtausbreitung in zweidimensionalen Photonischen Kristallen, um neue Bauelemente für die integrierte Optik zur verwirklichen. Ein theoretisches Modell zur Beschreibung der Lichtausbreitung in Photonischen Kristallen wird vorgestellt. Dieses Modell basiert auf der Fourieranalyse von elektromagnetischen Blochwellen. Es ermöglicht einen intuitiven Zugang der Phänomene von Photonischer Kristallen, wie negative Brechung, Autokollimation und Super-Dispersion, die wegen der besonderen Eigenschaften der erlaubten Energiebänder beobachtbar sind. Der Ansatz ermöglicht die Erklärung der physikalischen Grundlagen dieser Phänomene und zeigt deren Vorteile und Grenzen auf, um neue optische Bauelemente zu realisieren. Die Autokollimation wird im besonderen betrachtet. Der Einfluss der Strukturparameter auf die Photonischen Kristalle (Art des Gitters, Füllfaktor etc.) wird untersucht und benutzt, um zwei neue Bauelemente für die integrierte Optik zu verwirklichen: ein Lichtkondesor und ein Wellendemultiplexer. Zweidimensionale Photonische Kristalle, hergestellt in GaAs/AlxGa1-xAs Heterostrukturen, werden benutzt, um die theoretischen Resultate zu bestätigen. Die Entwicklung des Fabrikationsprozesses der Photonischen Kristalle bildet den ersten Aspekt des experimentellen Teiles dieser Arbeit. Zweidimensionale Photonische Kristalle hoher Qualität wurden mit fortgeschrittenen Methoden der Halbleitertechnologie in den GaAs/AlxGa1-xAs Heterostrukturen verwirklicht. Die optischen Eigenschaften der Photonischen Kristalle sind mit der internen Lichtquellen Methode untersucht worden. Diese Methode benutzt die Photolumineszenz der Quantenfilme bzw. -punkte als interne Lichtquelle, um die verbotene Energielücke der Photonischen Kristalle zu untersuchen. Es werden zwei neue Varianten dieser Methode zur Vereinfachung der Untersuchung der verbotenen Energielücke vorgestellt. Mit der Methode der gekoppelten Wellenleiter kann die Wellenleiterdämpfung um einen Faktor 6 reduziert werden, und sie ermöglicht die Untersuchung der Lichtausbreitung auf langer Distanz. Mit der Methode der Frontalen Detektion mit räumlicher Auflösung wird das aus der Ebene gestreute Licht zur Messung der Wellenleiterdämpfung und zur Kartographierung des elektromagnetisches Feldes analysiert. Diese beiden Methoden werden bei der Untersuchung der auf Photonischen Kristallen basierenden Bauelemente für die integrierte Optik angewandt: Wellenleiter und Autokollimator.