No description available.

M.Ing. / Please refer to full text to view abstract

Ce travail de thèse a consisté à mettre en place toute une filière de fabrication de microtores en silice sur silicium (étapes de lithographie et de gravure en salle blanche pour la réalisation de microdisques, installation d'un banc optique permettant la transformation du résonateur en microtore par un procédé de recuit laser CO2), à installer un banc optique permettant de mesurer la largeur spectrale de leurs résonances optiques à 1.55 µm et enfin, à explorer l'intégration d'émetteurs de lumière composés d'éléments de la colonne IV comme du silicium et du germanium, dans ces cavités. Des microtores supportant des résonances de facteur de qualité Q proche de 10^8 à 1.55 µm ont été fabriqués. Ces réalisations sont très proches de l'état de l'art et valident à la fois la fabrication des cavités et le banc optique permettant les mesures spectrales des modes de galerie (WGM). Grâce à un contrôle fin des différentes étapes de fabrication, de nouveaux résonateurs ont également été réalisés, des microsphères de silice sur puce de petits rayons (entre 5 et 14 µm). Une étude détaillée de ces résonateurs est présentée. Des Q proches de 10^8 ont également été mesurés. Des cavités WGM comportant une couche de nanoclusters de silicium dans une matrice de silice avec des ions erbium (SiOx : Er) sont étudiées en photoluminescence. Un couplage des ces émetteurs à des WGM est observé à température ambiante dans le visible et dans l'infrarouge. Un travail de couplage du germanium aux WGM a commencé et semble prometteur. / This work consisted in developing a fabrication process of silica microtoroids on a silicon chip (steps of lithography and etching in clean room for the realization of microdisks, set up of an optical bench to form a microtoroid with a reflow treatment of a silica microdisk by a CO2-laser), setting up an optical bench to measure the linewidth of their optical resonances at 1.55 µm and finally, exploring light emitters integration in these cavities such as silicon and germanium. Very high quality-factors (Q) close to 10^8 at 1.55µm have been measured on microtoroids. These realizations are very close to the State of the art and validate both the fabrication of these cavities and the optical bench to measure the linewidth of their Whispering Gallery Modes (WGM). With a precise control of the fabrication steps, new resonators have also been fabricated, silica microspheres on a chip with small radii (5 < r < 14µm). An in-depth study of these last ones is presented. Q-factors close to 10^8 have also been measured on microspheres. WGM cavities with a SiOx: Er layer (silicon nanoclusters in silica with erbium ions) are studied by photoluminescence. Coupling of these light emitters to WGM is observed in visible and near infrared at room temperature. A work of coupling of germanium to WGM began and seems promising.

abstract: Integrated photonics requires high gain optical materials in the telecom wavelength range for optical amplifiers and coherent light sources. Erbium (Er) containing materials are ideal candidates due to the 1.5 &mu;m emission from Er3+ ions. However, the Er density in typical Er-doped materials is less than 1 x 1020 cm-3, thus limiting the maximum optical gain to a few dB/cm, too small to be useful for integrated photonics applications. Er compounds could potentially solve this problem since they contain much higher Er density. So far the existing Er compounds suffer from short lifetime and strong upconversion effects, mainly due to poor quality of crystals produced by various methods of thin film growth and deposition. This dissertation explores a new Er compound: erbium chloride silicate (ECS, Er3(SiO4)2Cl ) in the nanowire form, which facilitates the growth of high quality single crystals. Growth methods for such single crystal ECS nanowires have been established. Various structural and optical characterizations have been carried out. The high crystal quality of ECS material leads to a long lifetime of the first excited state of Er3+ ions up to 1 ms at Er density higher than 1022 cm-3. This Er lifetime-density product was found to be the largest among all Er containing materials. A unique integrating sphere method was developed to measure the absorption cross section of ECS nanowires from 440 to 1580 nm. Pump-probe experiments demonstrated a 644 dB/cm signal enhancement from a single ECS wire. It was estimated that such large signal enhancement can overcome the absorption to result in a net material gain, but not sufficient to compensate waveguide propagation loss. In order to suppress the upconversion process in ECS, Ytterbium (Yb) and Yttrium (Y) ions are introduced as substituent ions of Er in the ECS crystal structure to reduce Er density. While the addition of Yb ions only partially succeeded, erbium yttrium chloride silicate (EYCS) with controllable Er density was synthesized successfully. EYCS with 30 at. % Er was found to be the best. It shows the strongest PL emission at 1.5 &mu;m, and thus can be potentially used as a high gain material. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Physics 2013

Ce travail de thèse porte sur l’étude de la photoluminescence de microcristaux en vue de concevoir une sonde hybride permettant des mesures de la température et de la conductivité thermique d’un échantillon aux micro/nano-échelles. Pour cela, une sonde thermorésistive en Wollaston, utilisée en microscopie thermique (SThM), a été couplée à un microcristal de Cd0.7Sr0.3F2 (4% Er3+) dopé Erbium dont le spectre d’émission est sensible à la température. Dans un premier temps, les propriétés optiques du cristal massif ont été étudiées en vue de son application en thermométrie. Nous avons travaillé à l’interprétation de son spectre de luminescence obtenu par up-conversion avec une diode laser centrée à 655 nm de 4mW. Nous avons alors proposé trois méthodes de détermination des intensités de fluorescence pour accéder à cette température via la technique RIF (Rapport des Intensités de Fluorescence). Nous avons montré qu’il était possible de déterminer sa température en utilisant les intensités des émissions des sous-niveaux Stark des niveaux thermalisés. Nous avons, ensuite, étudié le comportement en température de microcristaux fixés individuellement à l’extrémité de sondes thermorésistives. Les résultats expérimentaux ont permis d’en déduire la taille optimale du microcristal et la méthode de détermination des intensités la plus adaptée à la nano/microthermométrie.Après avoir validé notre approche de la température aux microcristaux, nous nous sommes intéressés au principe d’imagerie en température à partir des spectres de photoluminescence. Nous présentons une application sur un microsystème composé de fils conducteurs de 350nm de diamètre recouverts par un film mince de SiO2. / This PhD work focuses on the study of microcrystals photoluminescence in order to design a hybrid probe allowing micro/nano-scales measurements of a sample’s temperature and the thermal conductivity. Thus, a Wollaston thermoresistive probe used in thermal microscopy (SThM), was coupled to an Erbium doped microcrystal of Cd0.7Sr0.3F2 (4% Er3+), whose emission spectrum is sensitive to the temperature.At first, for its applications in thermometry, the optical properties of the bulk crystal have been studied. We worked on the interpretation of its luminescence spectrum obtained by up-conversion using a laser diode centered at 655 nm and 4mW. Then, we proposed three methods to determine the fluorescence intensities to access this temperature via the RIF (Fluorescence Intensity Ratio) technique. We have shown that it is possible to determine its temperature using the Stark sub-levels of the thermalized levels emissions intensities.Furthermore, we studied the temperature behavior of the microcrystals individually fixed at the end of thermoresistive probes. The experimental results made it possible to deduce the optimal size of the microcrystal and the most adapted intensity determination method for nano/microthermometry.After validating our microcrystal temperature approach, we focused on the principle of temperature imaging from photoluminescence spectra. We present an application on a microsystem composed of wires with a diameter of 350nm covered by a SiO2 thin film.

Le travail présenté ici est une contribution à l’étude des propriétés de photoluminescence (PL) d’ions de terre rare (Erbium) insérés dans des matrices grand gap (AlN) de différentes morphologies et déposées sous forme de films minces. Une méthode de dépôt PVD magnétron rf a été utilisée pour obtenir des dépôts minces de nitrure d’aluminium dont les morphologies cristallines couvrent une gamme allant de la morphologie colonnaire classique jusqu’à l’état nano cristallisé et amorphe. On montre comment, plus la puissance magnétron est élevée plus les cristallites colonnaires d’AlN sont de grande dimension et comment l’application d’une polarisation négative sur les substrats de silicium permet l’obtention de dépôts nano cristallisés. Différents taux de dopage, de 0.1 à 6 at. %, sont obtenus avec une cible composite Al+Er.La PL à 1.54 [micro]m de l’atome d’Er a été étudiée en fonction des valeurs des paramètres « procédé » et donc en fonction des morphologies de AlN. Il a été montré que le maximum d'émission de PL a lieu pour un dopage de 1 at. %. L’étude montre que l'intensité de PL augmente avec la puissance magnétron et diminue avec l’intensité de polarisation des substrats. Ces deux résultats montrent que l'intensité PL est fortement corrélée à la morphologie des films. Plus les cristallites sont importantes, plus l'émission de PL est efficace. Cette corrélation entre la PL et la morphologie des matrices a permis de mettre en évidence le rôle des champs cristallins des défauts non radiatifs dans les cristallites. Le rôle des défauts a été confirmé par des mesures de luminescence résolue en temps, des mesures sur dépôts recuits et des mesures de PL à basse température. L’effet de diminution de la PL avec la température est très faible ce qui rend le matériau très prometteur pour des applications en optoélectronique et en photonique / The work presented here is a contribution to the study of the photoluminescence (PL) properties of a rare earth ions (Erbium) inserted inside wide gap matrices (AlN) of different morphologies and deposited as thin films. A physical vapour deposition magnetron rf technique has been used to obtain thin layers of aluminium nitride whose crystalline morphologies are ranging from the classical columnar morphology to the nanocrystalline state or amorphous. One shows how, the higher the magnetron power, the larger are the columnar crystallites and how the use of a negative polarization on the silicon substrates allows obtaining nano crystallized layers. Different doping rates (from 0.1 to 6 at. %) have been achieved using a Al+Er composite target.The PL of the Er atom at 1.54 [micro]m has been studied versus the process parameters and so as a function of the different AlN morphologies. It was shown that the maximum of PL emission is achieved for a rate of 1 atomic %. PL intensity was shown to increase with the magnetron power and decrease with the polarization intensity of the substrates. These two results demonstrate that PL intensity is strongly correlated to the matrix morphology. The larger the crystallites, the most efficient are the PL emission allows evidencing the role of the non radiative defects crystalline fields in the crystallites. The role of the defects was confirmed by time resolved photoluminescence measurements and by PL measurements performed on annealed samples or at low temperature. The decrease of PL with temperature is very weak, making this way the material very promising for optoelectronic and photonic applications

Ce travail de thèse est une contribution à la thématique de l’intégration de matériaux actifs en photonique silicium pour la réalisation de fonctions actives. L’accent a été mis sur des matériaux préparés en couches minces pouvant être dépose sur substrats silicium pour la réalisation de sources de lumière intégrées. L’approche classique en photonique silicium dans le fenêtre télécom (1.55μm) repose sur l’utilisation de guides strip fabriqués à partir de substrats silicium sur isolant, SOI). Le choix qui été fait dans ce travail repose en revanche sur l’utilisation de guides à cœur creux (‘slot waveguides’) en raison de l’excellent recouvrement qu’ils permettent entre leur mode optique fondamental quasi-TE et les matériaux de couverture utilisés. Les contributions de cette thèse ont porté à la fois sur les étapes de conception/simulation et sur celles liées à l’optimisation des étapes de fabrication en salle blanche. Des guides slot Si/SiO2 et SiN/SiO2 et des résonateurs en anneaux basés sur ces guides ont conduit à : - des pertes de propagation typiquement comprises entre 1dB/cm et 7dB/cm. - des résonateurs à facteur de qualité de quelques dizaines de milliers pour des structures couvertes par des liquides d’indice. Dans un deuxième temps, les travaux poursuivis ont visé à l’intégration de matériaux actifs dopés à l’Erbium dans les guides à fentes présentés en première partie en vue de la démonstration de gain optique sur puce dans la fenêtre télécom (1.55μm). Une première collaboration nous a amené à la démonstration de gain optique sur puce à partir d’une géométrie de guide en arête inversée fabriqué en polymère actif. Un gain interne de l’ordre de 25dB sur puce a été obtenu par cette approche pour une puissance de pompe optique de l’ordre de 70 à 80mW. Une seconde collaboration s’est focalisée, quant à elle, sur l’intégration d’oxyde Al2O3 dans des guides à fentes SiN fabriqués à Orsay. Les problématiques d’intégration des matériaux ont été étudiées dans un premier temps. Le résultat le plus marquant a été obtenu pour un guide de longueur 400μm, pour lequel un gain relatif de 1.5dB a été obtenu pour une puissance de pompe de l’ordre de 50mW à longueur d'onde 1480nm. De manière complémentaire, nous avons exploré une seconde voie destinée à la démonstration de structures émettrices/amplificatrices sur puce, exploitant l’utilisation de nanotubes de carbone semi-conducteurs. Notre équipe du C2N, en forte collaboration avec le CEA-Saclay, a développé une méthode de préparation de solutions riches en nanotubes de carbone semi-conducteurs (séparation par centrifugation). Au final, les couches minces qui en ont résulté ont constitué un milieu actif qui a pu être intégré de manière planaire sur des échantillons de silicium pour le développement de fonctions optiques intégrées par intégration hybride. Par cette approche, nous avons démontré : - qu’un pompage vertical des structures photoniques pouvait donner lieu à une extraction de photoluminescence (PL) en sortie guidée par la tranche, dans des guides à fentes, - qu’un renforcement significatif de la PL était obtenu par effet de recyclage des photons dans des résonateurs diélectriques à base de guides à fente. Pour conclure, l’ensemble des travaux présentés dans cette thèse apporte une contribution au développement d’une photonique hybride sur silicium exploitant les propriétés de la plateforme de guidage optique sur SOI et celles de matériaux actifs (polymères dopés à l’Erbium ou aux nanotubes de carbone). / This thesis is a contribution to the hybrid integration of active materials including Erbium-doped and carbon nanotubes rich layers on silicon for on-chip light emission.In a first step, we designed, fabricated, and characterized within the silicon-on-insulator and silicon nitride platforms a range of photonic structures including strip/slot waveguides, micro disks, strip/slot ring resonators, and micro cavities aiming at preparing a set of passive device building blocks needed for hybrid integration on Si. Silicon slot waveguides and slot ring add-drop resonators filled with index liquids with linear propagation losses 2-7 dB/cm and Q-factors up to 30,000, have been demonstrated around wavelength=1.55µm. Propagation loss of silicon nitride slot waveguides were minimized down to ~4dB/cm for compact spiral structures (2cm long, within ~500µm×500µm area). Air-band mode Nano beam cavities were also investigated, leading to Nano cavities with mode volumes V ~0.03(wavelength/n)^3 and Q-factors ~70,000 when filled with soft materials.In a second step, hybrid integration of Erbium doped materials and semiconducting single-wall carbon nanotubes (SWCNTs) was investigated for light emission under optical pumping.Integration of Erbium-doped materials was studied within the framework of two collaborations: Prof. Daming Zhang’s team, in State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics, Jilin University, China, and Prof. Zhipei Sun, in Department of Micro- and Nanosciences, Aalto University, Finland. Erbium doped layers coming from Jilin were composed of Er3+ and Yb3+ co-doped core {shell} nanoparticles which were copolymerized with methyl methacrylate (MMA) to synthesize nanocomposite (PMMA-NPs: Er3+/Yb3+). We conducted the experimental characterization that led to the demonstration of an internal net gain up to 10-17dB/cm at wavelength=1.53µm in Erbium doped polymer rib waveguides fabricated in Jilin. The second Erbium doped material available during this thesis was based on Er2O3/Al2O3 atomic layers, grown in Aalto University. This collaboration was devoted to integrate high Erbium ion concentration (10E21/cm3) in oxide cladding layers on top of silicon nitride slot waveguides, which were fabricated in our group for the demonstration of on-chip optical net gain. The carried out experiments have conducted to the demonstration of 1.5-22.8dB/cm gain for sub millimeter length waveguides.In another direction, hybrid integration of SWCNTs emitting at wavelengths around 1.3 µm on ring resonators and Nano beam cavities has been investigated. First, we studied the coupling of SWCNTs photoluminescence (PL) in silicon micro-ring resonators and compared it with the PL intensity coupled into the bus waveguide . It has been shown that the pump beam polarization controls the light coupling into the straight bus waveguide. We demonstrated an enhancement of the PL intensity of 20dB at resonance. We also explored CNT hybrid integration with ultra-small mode volume Nano beam optical cavities, and hence with larger Purcell-like Q/V factors in comparison with the one obtained in micro-ring resonators. The results revealed that the PL resonance enhancement due to Nano beam cavity field confinement exhibited a nonlinear growth as a function of the pump power. It was also shown that the resonance of the PL peak intensity grows faster with the pump power than the PL background, which is accompanied by a line width narrowing of the resonance PL peak. This result is the first step to achieve an integrated laser based on carbon nanotubes.

A nanoparticle (NP) doping technique was used for making erbium-doped fibers (EDFs) for high energy lasers. The nanoparticles were doped into the silica soot of preforms, which were drawn into fibers. The Er luminescence lifetimes of the NP-doped cores are longer than those of corresponding solution-doped silica, and substantially less Al is incorporated into the NP-doped cores. Optical-to-optical slope efficiencies of greater than 71% have been measured. Initial investigations of stimulated Brillouin scattering (SBS) have indicated that SBS suppression is achieved by NP doping, where we observed a low intrinsic Brillouin gain coefficient, of similar to 1x 10(-11) m/W and the Brillouin bandwidth was increased by 2.5x compared to fused silica.

Devido à necessidade da construção de dispositivos integrados (por exemplo micro laser e inversor óptico), estudos espectroscópicos em amostras altamente dopadas são necessários. Entretanto, o procedimento de se utilizar amostras com alta concentração traz consigo o problema da supressão da luminescência, devido a processos de transferência de energia mais intensos. Portanto, neste trabalho, estudamos os processos de transferência de energia que diminuem a luminescência na região do infravermelho utilizando amostras vítreas à base de fluoreto (fluoroindato e fluorozircoaluminato), dopados com Er+3 em concentrações que variam de 0.1 a 20 mol%Er. Obtivemos parâmetros de transferência de energia através de um modelo para os níveis do Er+3 (sistema de equações diferenciais), microparâmetros de transferência de energia e probabilidades de decaimento radiativo, entre outros. Identificamos dois mecanismos de depolução da região do infravermelho, a migração de energia e a conversão ascendente, e dois mecanismos de população dos níveis 4S3/2 e 4F9/2, a absorção do estado excitado e a conversão ascendente por transferência de energia. A análise dos resultados indicou que a conversão ascendente por transferência de energia é o principal mecanismo de população dos níveis 4S3/2 e 4F9/2 / Given the need of integrated devices, as microchip laser and optical inverter, for instance, spectroscopic studies on samples with large ion doping concentrations are necessary. However, the use of highly doped samples brings with it the problem of luminescence quenching due to intense energy transfer processes. Therefore, in the present work we studied the energy transfer processes that diminish the infrared luminescence in two fluoride glass compositions (fluoroindate and fluorozircoaluminate) doped with Er+3 in the range of 0.1 to 20% molar. For that, we obtained energy transfer parameters using rate equations formalism for Er+3 energy levels. We also obtained the microscopic parameters of energy transfer, and radiative decay rates, among others. Two mechanisms of depopulation of level 4I11/2 were identified, energy migration and up conversion. Similarly the mechanisms responsible for the population of levels 4S3/2 and 4F9/2, were identified as excited state absorption and energy transfer up conversion. The results analysis indicates that the energy transfer up conversion is the major mechanism for the population of levels 4S3/2 and 4F9/2.

Optical amplifiers are highly sought-after in optical communications to power boost light signals carrying information. Rare Earth doped glasses have been the medium of choice for optical amplification. It is, therefore, essential to understand the interaction of light with potential host glasses for rare-earths before they could be proposed as suitable candidates. In this research, we have optically characterized three different rare earth doped bulk glasses. The glass samples investigated were Neodymium doped Gallium Lanthanum Sulfide (GLS:Nd), Erbium doped Germanium Gallium Sulfide (GeGaS:Er) and Erbium doped Fluorochlorozirconate (FCZ:Er). The transmission spectra, T(λ), was used in identifying the absorption transitions of rare earth ions from the ground level to the various excited levels and in obtaining the optical absorption coefficient, α(λ). This in turn was used in determining the Judd-Ofelt parameters, which were then used in obtaining radiative lifetimes of the energy levels of interest. Photoluminescence emission bands were also identified and their shapes were investigated. Finally, a comparison of the Judd-Ofelt lifetime with the experimental decay time was also done. From which, the major decay mechanism of the rare earth ions from the energy level under investigation was concluded.