Faculté des sciences de base SB, Section de physique (Laboratoire d'optoélectronique quantique LOEQ)

Étude expérimentale des propriétés optiques des cristaux photoniques bidimensionnels et de leur accordabillité

Wild, Barbara ; Houdré, Romuald (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2006 ; no 3573.

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    Summary
    Photonic crystals are periodic dielectric structures, where the periodicity varies in one, two or three dimensions. Analogous to the periodic potential of electrons in semiconductors, the periodic variation of the dielectric constant influences the electromagnetic properties. The energy of the light is separated in bandgaps, energy ranges in which the propagation of the light is forbidden for certain directions and energies. These properties suggest that photonic crystals may be suitable for fabrication of the components needed for integrated optics. Since the fabrication of three dimensional photonic crystals is still limited by complex fabrication problems we have studied two dimensional photonic crystals. These photonic crystals can be fabricated by standard microelectronic technology. The photonic crystals studied in this thesis consist of GaAs and InP based low index vertical waveguides with a matrix of holes etched into it. The fabrication of photonic crystals with good optical properties is an important factor for photonic crystal devices in integrated optics. In the first part we studied the optical properties of photonic crystal slabs and of Fabry-Pérot cavities. These structures were measured by the internal light source technique, which allows quantitative normalized transmission measurements. The photonic crystals were etched by three different dry etching technologies. Out-of plane scattering is described by a 2D-FDTD fit of the transmission spectra and by a semi-analytical model. The finite hole depth and the conical shape of the holes are important structural parameters. The detailed study of their effects yields an important feedback for the critical parameters of the fabrication process. Photonic crystal waveguides are another group of components in integrated optics. We measured two types of straight photonic crystal waveguides by the endfire technique. Here the light is coupled by optical fibers and ridge waveguides in the photonic crystal waveguides. The transmission spectra reveal fringes which are due to multiple interference of the light in the sample. This interference contains information about propagation losses of the waveguides and an analysis based on the Fourier transform of the transmission spectra enabled us to deduce the propagation losses of the photonic crystal waveguides. The necessity of tuning or trimming the optical properties of photonic crystals is an important issue either compensating fabrication imperfections (trimming) or controlling the optical properties on demand (tuning) for devices like filters. We have shown that it is possible to tune the optical properties of planar photonic crystal cavities by temperature. The experimental results were validated by theoretical calculations. Also we have shown that is possible to tune the optical properties of photonic crystals by infiltrating liquid crystals in the holes. Liquid crystals are a birefringent material whose optical axis can be tuned by external fields (electric, temperature, photonic source, etc.). Phase transitions exhibiting abrupt changes in the refractive index are important characteristics of liquid crystals. The holes of the photonic crystal are infiltrated by a reversible and reliable infiltration process. The infiltration efficiency and the orientation of the molecules in the holes were determined by polarization resolved internal light source measurements. We have shown that the frequency of the Fabry-Pérot resonance changes at the phase transitions of the liquid crystal.
    Résumé
    Les cristaux photoniques sont des structures dont l'indice diélectrique varie périodiquement selon une ou plusieurs directions de l'espace. Ce milieu périodique produit sur la propagation d'une onde électromagnétique un effet analogue à celui du potentiel périodique sur les électrons dans les cristaux. Des bandes d'énergie interdites pour le champ électromagnétique apparaissent, interdisant la propagation de la lumière dans certaines directions et pour certaines énergies. Ces propriétés rendent les cristaux photoniques intéressants pour de nombreuses applications dans l'optique intégrée. La fabrication de cristaux photoniques à 3 dimensions est encore mal maîtrisée et nous avons étudié dans ce travail des cristaux photoniques à 2 dimensions. Ces cristaux photoniques peuvent être fabriqués avec les techniques standards de la microélectronique. Les cristaux photoniques à 2 dimensions que nous avons étudiés consistent en une matrice de trous gravés dans une hétérostructure semiconductrice guidante sur substrat InP ou sur substrat GaAs. La fabrication des cristaux photoniques ayant de bonnes propriétés optiques est capitale pour l'utilisation des cristaux photoniques dans l'optique intégrée. Dans un premier temps, les propriétés optiques des pavés de cristaux photoniques et des cavités Fabry-Pérot sont mesurées par la méthode de la source interne. Les cristaux photoniques sont fabriqués à l'aide de trois techniques différentes de gravure sèche. La méthode de la source interne permet de mesurer quantitativement la transmission de ces structures. Grâce à une analyse basée sur des calculs FDTD-2D (différences finies dans le domaine temporel), il est possible d'évaluer les pertes par diffraction hors plan avec l'aide d'un modèle semi-analytique. La profondeur finie et la forme plus ou moins conique des trous sont des paramètres importants. Il est possible de qualifier leurs effets et ainsi de cibler les paramètres les plus critiques lors du processus de la fabrication des cristaux photoniques. Un autre groupe de composants importants pour l'utilisation des cristaux photoniques dans l'optique intégrée sont les guides d'onde. Deux types de guides d'onde rectilignes sont mesurés avec la méthode de type endfire. Dans ce type de mesure, la lumière est couplée via des fibres optiques et des guides rubans aux cristaux photoniques. Les spectres de transmission des structures mesurées montrent des franges dues aux interférences multiples de la lumière dans l'échantillon. Ces franges d'interférences contiennent des informations sur les pertes de propagation des guides d'onde et une analyse reposant sur l'étude de la transformée de Fourier a permis d'en déduire les pertes de propagation des guides d'onde. Pour toute utilisation pratique des structures à cristaux photoniques, il est nécessaire d'accorder la réponse optique des cristaux photoniques, soit pour corriger des défauts de fabrication, soit pour accorder la réponse optique dans des dispositifs comme des filtres, par exemple. Dans une première étape, nous avons montré qu'il est possible d'accorder la réponse optique des cavités planaires par la température. Les résultats expérimentaux ont été validés par des calculs théoriques. Dans une deuxième étape, nous avons montré qu'il est possible d'accorder la réponse optique des cristaux photoniques en infiltrant des cristaux liquides dans les trous des cristaux photoniques. Les cristaux liquides sont des matériaux biréfringents. Il est possible d'accorder l'axe optique des cristaux liquides avec un champ externe (électrique, température, illumination UV, etc.). Ils subissent également des transitions de phase autour desquelles la valeur de l'indice de réfraction varie abruptement. Les trous des cristaux photoniques ont été infiltrés par un cristal liquide à l'aide d'un processus d'infiltration réversible et fiable. Le taux d'infiltration et l'orientation moyenne des directeurs des molécules des cristaux liquides par rapport à l'axe des trous ont été déterminés par des mesures résolues en polarisation avec la méthode de la source interne . Nous avons démontré des effets d'accordabilité de la fréquence de résonance d'une cavité Fabry-Pérot autour des transitions de phase du cristal liquide.