Thèse doctorat : Dispositifs de l'Electronique Intégrée : Villeurbanne, INSA : 2004. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. à la fin de chaque chapitre.

Les travaux réalisés dans le cadre de ce projet de recherche consistent en la modélisation, l'optimisation et la réalisation expérimentale de filtres optiques périodiques. Les filtres étudiés sont des réseaux de Bragg photo induits par illumination ultraviolette, lesquels présentent un spectre périodique menant à la formation de filtres optiques multicanaux. La principale application des filtres périodiques proposés est la compensation de la dispersion chromatique encourue par des signaux optiques lors de leur propagation dans des liens de fibre optique. Les critères de conception ont été établis afin de démontrer une application concrète de ces filtres multicanaux. Afin de faciliter la conception de filtres optiques particuliers la modélisation et l'optimisation employées dans cette étude utilisent des éléments théoriques de traitement de signal dont, plus particulièrement, la transformée en Z. La faisabilité expérimentale des composants est aussi étudiée et quelques résultats expérimentaux sont exposés dans ce mémoire. Plusieurs techniques d'écriture ont été considérées, dont la superposition de réseaux par écriture successive et l'encodage, dans un masque de phase complexe, de la phase du réseau complexe avec apodisation de l'amplitude de la modulation d'indice. L'introduction du design du réseau de Bragg dans le masque de phase est aussi traitée afin d'améliorer les performances de ce nouveau type de compensateurs de dispersion chromatique. Finalement, la performance système des composants développés est évaluée par différentes mesures de taux d'erreur binaire à 10 Gbit/sec, afin de comparer les pénalités introduites par le compensateur avec celles d'une fibre compensatrice.

Au laboratoire, cette thèse fait suite à des modélisations sur des fonctions passives intégrées optiques à base de micro-résonateurs en anneaux. Pour les réaliser, une étude de toutes les étapes de réalisation de circuits en polymère a été effectuée. Les objectifs sont l'obtention de guides arêtes, ridge monomodes avec des performances acceptables et la miniaturisation de fonctions avec les matériaux et technologies envisageables au CCLO. Des points bloquants ont été identifiés au départ, tels que le manque d'adhérence entre matériaux, les incompatibilités technologiques et optiques entre polymères, les phénomènes liés au procédé occasionnant des pertes optiques excessives. Après un état de l'art sur les polymères pour guides d'ondes optiques, le manuscrit présente les travaux spécifiques sur le choix des matériaux et l'évaluation de l'adhérence de polymères amorphes sur les substrats envisagés, ainsi que la qualité et la reproductibilité des dépôts et leur gravure sèche par plasma. L'analyse de l'apparition de défauts de surface des films et " ridge " ainsi que les solutions trouvées pour les éliminer, sont plus particulièrement développés. L'adaptation de la photolithographie classique en UV proche est détaillée pour atteindre des tailles de motifs submicroniques. Les résultats des méthodes d'analyse entreprises pour discriminer les différents facteurs de pertes optiques en propagation sont discutés. Enfin, les réalisations de guides monomodes à base de polymères méthacryliques pour le coeur ainsi que les premières structures de filtres et multiplexeurs en micro-résonateurs intégrés en anneaux et à faible intervalle spectral libre (1-3nm) sont présentées et analysées.

Ce travail est consacré à l'étude de la déposition de couches minces optiques et au contrôle de ce processus. Initialement, la tâche était de développer une technique de commande robuste pour ellipsométriques gradient d'indice de réfraction des couches. Au cours des travaux, il a évolué vers le domaine plus vaste de l'ECR PECVD de recherche et de contrôle optique multicouche ellipsométrie filtre. Malgré le fait que HDP-PECVD est utilisé couramment dans la fabrication microélectronique, de nombreuses questions sur cette technique sont encore sans réponse. Nous avons étudié les aspects de cette technique dans le but d'acquérir de nouvelles connaissances sur les processus physiques impliqués. Dans cette thèse, les parties suivantes de l'œuvre seront discutées, en vue de présenter une vision cohérente de l'objet: 1. Couches minces optiques, les plasmas et de la technologie de dépôt plasma. 2. ECR-PECVD caractéristiques et le développement. 3. Le système de dépôt MDECR Vénus et la caractérisation des plasmas de dépôt. 4. Déposition de filtres optiques à base de silicium oxynitrure alliages, et plusieurs techniques de caractérisation comme ellipsométrie spectroscopique. 5. ellipsométrie cinétique et le contrôle ellipsométrique de couches minces optiques. 6. Conclusion et recommandations pour les travaux futurs. Ces points représentent la structure de ce document. Ils seront détaillés dans les sections suivantes et développé dans les chapitres suivants.

Ce mémoire vise à étudier la conception, la fabrication et la caractérisation de filtres à base de coupleurs contra-directionels en silicium. Ceux-ci sont un type de filtre optique encore peu connu, semblable à des réseaux de Bragg, mais réfléchissant dans un autre guide d'onde. Afin de comprendre pourquoi les filtres optiques sont importants à améliorer, ce mémoire commence en expliquant la base des communications optiques. Sont ensuite expliqués les principes de la photonique sur silicium, et comment arriver à manipuler la lumière à l'aide des matériaux utilisés en électronique. Les différents dispositifs existants en silicium sont énumérés, avec une attention particuliére portée aux filtres optiques. Le principe de fonctionnement des coupleurs contra-directionels est expliqué en détail au chapitre 2. Celui-ci reformule les principes de base connus, en rajoutant des détails sur la simulation de l'apodization et du bruit de phase. La recherche originale en laboratoire à ce sujet est exposée dans les chapitres 3 et 4. Le premier article démontre qu'il est possible de fabriquer des coupleurs contra-directionels avec un processus de photolithographie malgré la précision requise. Le deuxième utilise des coupleurs contra-directionels pour créer un filtre accordable ayant la plus grande plage d'accordabilité mesurée sur silicium. Tester ces dispositifs fut une part importante du travail et de l'apprentissage. Ainsi, le dernier chapitre est consacré à la caractérisation des dispositifs sur silicium à l'aide d'un montage automatisé. Ce chapitre a pour but d'expliquer en détail toutes les étapes du design, de l'alignement et des tests afin de documenter la procédure pour les nouveaux étudiants. Au final, ce travail démontre que les coupleurs contra-directionels en silicium sont une solution envisageable pour plusieurs applications nécessitant des filtres optiques, tel que les réseaux reconfigurables et les canaux de communication large bande. / This memoir aims to study the design, fabrication and characterization of filters based on contra-directional couplers on silicon. These are a type of filter still little known, similar to Bragg gratings, but reflecting the light in an other waveguide. To understand why optical filters are important to improve, this memoir starts by introducing the basis of optical communications. The principles of silicon photonics are then explained, to understand how to manipulate light using micro-electronics materials. The devices available on silicon are enumerated, with a special attention given to optical filters. Contra-directional couplers are explained in detail in chapter 2. This chapter explains the known principles, adapting them to be able to simulate apodization and phase noise in these devices. The original laboratory research is shown in chapters 3 and 3. The first article demonstrates that it is possible to fabricate contra-directional couplers using photolithography despite the small features required. The second one uses contra-directional couplers to create a tunable filter displaying the greatest tunable bandwidth range measured in silicon filters. Testing these devices has been an important part of the work. The last chapter is about the characterization of silicon devices using an automated setup. This chapter aims to explain all the details of the design, alignment and test to document the procedure for future students. In sum, this work shows that silicon contra-directional couplers are an appealing solution for many applications which require optical filters such as reconfigurable networks and broadband channels.

Récemment, beaucoup d'efforts ont été investis afin de développer des sources laser à plusieurs longueurs d'onde accordables indépendamment. Ces lasers sont utiles aux systèmes exploitant le multiplexage en longueur d'onde pour les communications ou l'interrogation de capteurs. Ainsi, ce travail porte sur l'analyse d'un filtre optique composé de sauts de phase distribués sur un réseau de Bragg à pas variable (DPS-CFBG) pouvant être intégré dans des lasers à fibre en anneau. L'avantage de ce filtre provient du fait que les sauts de phase génèrent des pics de résonance aisément accordables ce qui permet d'ajuster les longueurs d'onde émises. Ce mémoire présente aussi des résultats expérimentaux reliés à deux applications différentes de ce type de sources. La première étape dans la modélisation du DPS-CFBG fut de mesurer avec précision le profil de température introduit dans le réseau par un fil chauffant. Par la suite, en plus de l'approche usuelle d'analyse de réseau de Bragg (méthode matricielle pour la solution des équations des modes couplés), nous avons étudié cette structure à l'aide d'approches analytiques, ce qui a permis de mettre en évidence la présence de cavités résonantes Fabry-Perot. Grâce à cette analyse, la notion de saut de phase, généralement introduite de façon intuitive dans la littérature, devient un paramètre parfaitement défini. D en va de même pour le concept de réflectivité des miroirs de cette cavité. Avec ces deux paramètres, nous sommes en mesure d'obtenir une fonction analytique approchée du spectre qui donne davantage d'informations sur la réponse spectrale du filtre en fonction des paramètres du réseau et du profil thermique. Ce mémoire démontre également l'utilisation de ce filtre pour la génération d'un signal électrique à haute fréquence. Pour ce faire, deux harmoniques d'un signal laser modulé en phase ont été sélectionnées à l'aide du DPS-CFBG. Ces deux lignes laser corrélées ont généré, par battement sur un photo-détecteur, un signal de fréquence accordable de 35 à 50 GHz. La limite en fréquence de ce générateur d'onde millimétrique accordable provient de la bande passante du photo-détecteur et la performance en bruit de phase est très proche de la limite théorique d'un multiplicateur de fréquence électronique. Nous discutons aussi de l'utilisation d'un DPS-CFBG dans une cavité laser en anneau avec un amplificateur en semi-conducteur afin de générer un signal laser multi-longueur d'onde reconfigurable avec un espacement spectral aussi faible que 25 GHz.

Le présent travail est divisé en deux sections, chacune étant consacrée à une application particulière des structures de Fabry-Perot dans un domaine spécifique de l'optique moderne. La Section I traite du design de structures d'imagerie par superlentilles, qui servent essentiellement à la génération d'images de champ proche de structures dont les caractères sont plus petits que la demi-longueur d'onde, en utilisant des approches originales et performantes. Ces structures sont constituées de couches de matériaux très minces, dont l'épaisseur est de l'ordre de la dizaine de nanometres, et dont les interfaces font office de miroirs à réflectivité complexe de telle sorte qu'on peut les associer à une cascade de cavités Fabry-Perot. La théorie fondamentale des structures de super-lentilles, qu'elles soient constituées du cas idéal utilisant une couche de matériau d'indice négatif ou de métal, est exposée. Une méthode de design basée sur une étude modale de la super-lentille métallique ainsi qu'une approche de design numérique de super-lentille basée sur un modèle raffiné de la super-lentille qui inclut l'objet à imager sont ensuite proposées. Dans les deux cas, les designs obtenus se comparent avantageusement avec d'autres présentés dans la littérature. La Section II étudie le problème de la division de sauts de phase dans les réseaux de Bragg écrits à l'aide d'un masque de phase dans lequel les sauts de phase sont inscrits. Dans les réseaux comprenant un seul saut de phase de à mi-longueur qu'on appelle filtres Fabry-Perot (FP) basés sur réseaux, la division en deux du saut de phase se manifeste physiquement par l'écriture d'une section de réseau très petite entre chacun des deux demi-sauts de phase causant des erreurs d'asymétrie dans sa réponse spectrale. On modélise les filtres FP à saut de phase divisé comme une succession de trois miroirs à réflectivité complexe variant avec la longueur d'onde séparés par les deux demi-sauts de phase. On constate que pour des filtres FP longs de plus de quelques millimètres, l'effet de la division d'un saut de phase est négligeable.

La distribution par fibre optique de signaux de type « ultra-wideband (UWB)» requiert le développement de nouvelles technologies photoniques qui seront le sujet d'étude de cette thèse. Nous commençons avec un démonstration expérimentale d'une technique de sculpture d'impulsions qui offre une solution économique et à faible consommation de puissance pour les systèmes UWB . Dans cette étude, nous procédons à l'apodisation de deux réseaux Bragg identiques avec une variation de période linéaire qui sont placés aux deux entrées d'un photodétecteur balancé. L'apodisation est réalisée par l'application d'un profile de température à l'aide d'éléments résistif de petite dimensions, ce qui permet une consommation énergétique réduite et une bonne résolution spectrale. Le filtrage spectral d'une source laser puisée suivi d'une conversion fréquence-temps par propagation dans une fibre optique standard permet de générer une impulsion UWB efficace d'un point de vue énergétique pour les communications à courte portée dans la bande spectrale de 3 a 10 GHz. Dans un deuxième temps, pour générer des signaux passe-bande à haute fréquence, nous avons utilisé un laser puisé à commutation de gain. Après la conversion optique/électrique des impulsions en utilisant des filtres optiques et RF appropriés, nous réussissons à générer des signaux large bande dans des bandes spectrales ayant des fréquences centrales de 25, 35 et 45 GHz. Nous examinons diverses configurations de filtres permettant cette conversion selon qu'il y ait ou non transmission dans une fibre optique. Finalement, nous démontrons la détection de signaux RF dans le domaine optique par le design et la fabrication de filtres adaptés. Notre récepteur utilise un modulateur de Mach-Zehnder pour faire la conversion électrique-optique et des filtres à base de réseau de Bragg comme filtres adaptés. Nous examinons la performance du récepteur pour deux conditions de polarisation différentes du Mach-Zehnder. Nous avons conçu des filtres adaptés pour ces deux cas et nous discutons de la performance résultant.

Ce mémoire présente une nouvelle méthode permettant de caractériser la phase spectrale d'impulsions courtes se propageant dans de la fibre optique. L'information sur la phase des impulsions est extraite de l'analyse du signal temporel généré par l'interférence entre deux bandes spectrales sélectionnées par un réseau de Bragg. L'accord du réseau de Bragg, par l'application d'une contrainte sur la fibre optique, permet de déterminer la phase relative de toutes les composantes spectrales. Afin d'obtenir une bonne résolution spectrale, le réseau de Bragg est constitué d'une structure de type Fabry-Perot distribué qui transmet deux bandes spectrales distinctes selon la polarisation du signal indicent. Nous traitons le cas d'une modulation en amplitude périodique du signal analysé, avec une validation expérimentale, et nous menons des simulations pour une modulation en amplitude pseudoaléatoire. Nous discutons des limites de cette méthode de caractérisation et nous mettons en évidence l'importance de bien contrôler la polarisation du signal incident. Finalement, nous expliquons pourquoi cette méthode ne s'applique pas à une modulation en amplitude pseudo-aléatoire.

Nous presentons differentes applications de la photosensibilite a la realization de filtres optiques interferentiels. Nous commencons par une etude theorique de la programmation de la reponse spectrale d'un fabry-Perot multicouches et de celle d'un filtre a cavites-substrats tandem; enfin nous presentons le principe de fonctionnement d'un filtre dit ”hybride”, compose d'un miroir de Bragg et d'un miroir dielectrique. Nous presentons ensuite la realisation d'un montage de mesure absolue de l'epaisseur optique de cavites-substrats et les resultats experimentaux obtenus lors de la caracterisation de lames fines potentiellement photosensibles. Enfin, nous exposons les resultats obtenus lors de la realisation de filtres hybrids en espace guide et en espace libre puis lors de la structuration d'une cavite-substrat photosensible.