In this paper, the performance simulations of a novel ultra-compact balanced coherent photodetector for operation at a wavelength of 1.5 mu m are presented and design proposals for future fabrication processes are provided. It consists of a compact 2x2 MMI that is evanescently coupled into a germanium MSM photodetection layer. The simulations demonstrate dark current less than 10 nA, capacitance less than 20 fF, and optical bandwidth in the 10-30 GHz range. We propose utilizing the simplicity of direct wafer bonding to bond the detection layer to the output waveguides to avoid complicated epitaxial growth issues. This ultra-compact device shows promise as a high-speed, low-cost integrated silicon photonics solution for the telecommunications infrastructure.

Le développement de capteurs pour la détection de molécules présentes en très faible concentration est un enjeu sociétal et économique. Il permet de répondre à des besoins de mesure d’analytes dans les secteurs de la santé, de la défense ou encore de l’environnement. Les capteurs optiques intégrés possèdent plusieurs avantages permettant de répondre à ces problématiques. Dans cette thèse, des capteurs optiques intégrés à base de deux micro-résonateurs sont développés. Ils fonctionnent dans le domaine du proche infrarouge et permettent de détecter des molécules d’intérêt présentes en très faible quantité dans un échantillon biologique. Dans un premier temps, les critères de performances comme la sensibilité ou la limite de détection de micro-résonateurs seuls sont définis et optimisés. Puis, l’intérêt de transducteurs à base de deux micro-résonateurs cascadés ou insérés dans une structure interférométrique de type Mach-Zehnder permettant d’utiliser l’effet Vernier est mis en avant. Un algorigramme permettant d’optimiser la conception des transducteurs à effet Vernier est mis en place. Son efficacité est démontrée par la fabrication d’un transducteur à effet Vernier en matériaux polymères qui possède des performances dans l’état de l’art. Ensuite, des transducteurs en matériau silicium poreux sont étudiés. Ce matériau poreux permet d’augmenter la sensibilité du capteur en facilitant le greffage des analytes dans la structure. Les guides en silicium poreux pour la réalisation de micro-résonateurs simples sont optimisés théoriquement. L’avantage de l’utilisation conjointe de guides en polymères et en silicium poreux couplés sur la même puce intégrée, qui permet à la fois de réduire les pertes de propagation optique et d’augmenter la sensibilité du transducteur, ainsi qualifié d’hybride, est détaillé dans ce manuscrit. Les performances en sensibilité et limite de détection de transducteurs à effet Vernier hybride fabriqués à l’aide de guides en silicium poreux et en polymères sont étudiées théoriquement afin de prédire les performances de ces dispositifs. Enfin la mise en œuvre et les premiers essais de fabrication de transducteurs hybrides avec des guides en polymères et en silicium poreux sont détaillés. / The development of biosensors for the detection of extremely low concentration analytes is an economic and societal challenge. It ensures the needs to detect analytes in the economic fields of healthcare, defense and environment. Integrated optical sensors have several advantages to address these challenges. In this thesis, near infrared integrated biosensors for detection of low concentration molecules in biological samples are developed. They are based on two integrated micro-resonators transducers. Firstly, performances criterions such as sensitivity and limit of detection are defined and optimized for single micro-resonator biosensors. The advantage of micro-resonator transducers based on the Vernier effect are presented. To do so, a flowchart is developed in order to optimize the design of Vernier effect integrated transducers based on cascaded micro-resonators or micro-resonators positioned in a Mach-Zehnder interferometric structure. The efficiency of the design procedure is tested by the fabrication of a polymer transducer based on the Vernier effect with state of the art performances. Then, transducers based on porous silicon material are studied. This porous material eases the penetration and the grafting of the analytes in the sensor. Porous silicon waveguides are theoretically optimized for the fabrication of single micro-resonators. The interest of the implementation of polymer and porous silicon waveguides coupled on the same integrated chip, in order to reduce optical propagation losses and to increase sensor sensitivity, is demonstrated. The performances in sensitivity and limit of detection of hybrid porous silicon and polymer waveguides Vernier effect transducers are theoretically studied in order to estimate the performances of these integrated biosensors. Eventually, the design and the first fabrication trials of hybrid porous silicon and polymer waveguides transducers are presented.

Photonic crystals (PCs), consisting of a periodic pattern of variations in the material properties, are one of the platforms proposed as synthetic optical materials to meet the need for optical materials with desired properties. Recently, applications based on dispersive properties of the PCs have been proposed in which PCs are envisioned as optical materials with controllable dispersive properties. Unlike the conventional use of PCs to achieve localization, in these new applications propagation inside the photonic crystal is studied, and their dispersive properties are utilized. Among these applications, the possibility of demultiplexing light using the superprism effect is of particular interest. Possibility of integration and compactness are two main advantages of PC-based wavelength demultiplexers compared to other demultiplexing techniques, for applications including compact spectrometers (for sensing applications), demultiplexers (for communications), and spectral analysis (for information processing systems). I develop the necessary simulation tools to study the dispersive properties of photonic crystals. In particular, I will focus on superprism-based demultiplexing in PCs, and define a phenomenological model to describe different effects in these structures and to study important parameters and trends. A systematic method for the optimization and design of these structures is presented. Implementation of these structures is experimentally demonstrated using the devices fabricated in a planar SOI platform based on designed parameters. In the next step, different approaches to improve the performance of these devices (for better resolution and lower insertion loss) are studied, and extension of the concepts to other material platforms is discussed.

Polarization dependences of optical devices in highly-integrated optical systems become a major problem. To overcome this issue, one can implement polarization diversity scheme to achieve a single polarization on-chip network. One of the essential components in a polarization diversity scheme is the polarization beam splitter (PBS). In this thesis, we will a PBS based on a silicon-on-insulator (SOI) platform with reduced device size and broad operation bandwidth. We use the three-dimensional Finite-Difference Time-Domain (3D-FDTD) method to perform the simulation. First, we use two asymmetric waveguides to design an asymmetric directional coupler with only TE-like mode phase matching condition. We then tape the lower waveguide to keep the TE-polarized light, and split the TE- and TM- polarized light. By utilizing an asymmetrical directional coupler with a tapered waveguide, we have achieved a 7.3

The ever-increasing need for higher bandwidth and density is one of the motivations for extensive research on planar optoelectronic structures on printed circuit board (PCB) substrates. Among these applications, optical interconnects have received considerable attention in the last decade. Several optical interconnect techniques, such as free space, guided wave, board level and fiber array interconnects, have been introduced for system level applications. In all planar optoelectronic systems, optical waveguides are crucial elements that facilitate signal routing. Low propagation loss, high reliability and manufacturability are among the requirements of polymer optical waveguides and polymer passive devices on PCB substrates for practical applications. Besides fabrication requirements, reliable characterization tools are needed to accurately and nondestructively measure important guiding properties, such as waveguide propagation loss. In three-dimensional (3D) fully embedded board-level optical interconnects, another key challenge is to realize efficient optical coupling between in-plane waveguides and out-of-plane laser/detector devices. Driven by these motivations, the research presented in this thesis focuses on some fundamental studies of optical interconnects for PCB substrates, e.g., developing low-loss optical polymer waveguides with integrated efficient out-of-plane couplers for optical interconnects on printed circuit board substrates, as well as the demonstration of a novel free-space optical interconnect system by using a volume holographic thin film. Firstly, the theoretical and experimental investigations on the limitations of using mercury i-line ultraviolet (UV) proximity photolithography have been carried out, and the metallization techniques for fine copper line formation are explored. Then, a new type of low-loss polymer waveguides (i.e., capped waveguide) is demonstrated by using contact photolithography with considerable performance improvement over the conventional waveguides. To characterize the propagation properties of planar optical waveguides, a reliable, nondestructive, and real-time technique is presented based on accurately imaging the scattered light from the waveguide using a sensitive charge coupled device (CCD) camera that has a built-in integration functionality. To provide surface normal light coupling between waveguides and optoelectronic devices for optical interconnects, a simple method is presented here to integrate 45° total internal reflection micro-mirrors with polymer optical waveguides by an improved tilted beam photolithography (with the aid of de-ionized water) on PCBs. A new technique is developed for a thin layer of metal coating on the micro-mirrors to achieve higher reflection and coupling efficiency (i.e., above 90%). The combination of the capped waveguide technique and the improved tilted UV exposure technique along with a hard reusable metal mask for metal deposition eliminates the usage of the traditional lift-off process, greatly simplifies the process, and reduces fabrication cost without sacrificing the coating quality. For the study of free-space optical interconnects, a simple system is presented by employing a single thin-film polymeric volume holographic element. One 2-spherical-beam hologram is used to link each point light source with the corresponding photodetector. An 8-channel free-space optical interconnect system with high link efficiency is demonstrated by using a single volume holographic element where 8 holograms are recorded.

L’optique intégrée sur verre est une technologie mature dont les nombreuses applica-tions vont des télécommunications optiques aux capteurs. L’amélioration constante des per-formances des dispositifs réalisés est basée sur une densification des fonctions et donc uneréduction des dimensions des guides d’onde ainsi qu’une augmentation de la densité de puis-sance que ceux-ci transportent. Dans ce travail, nous avons donc étudié les performancesultimes de la technologie de l’échange d’ions argent/sodium sur verre en matière de confi-nement et de longueur de propagation. En particulier, dans le cas de la génération d’effetsnon-linéaires, nous avons mis en évidence la nécessité de trouver un compromis entre ces deuxaspects. Nous démontrons alors que les performances des guides d’onde obtenus par échanged’ions argent/sodium sont intrinsèquement limitées par les pertes optiques attribuées à laprésence d’argent métallique. Ceci se traduit par la présence d’un seuil d’endommagementà fortes densités de puissances. Pour dépasser cette limitation nous avons proposé et ini-tié alors un changement radical de technologie dont nous présentons les premiers résultatsobtenus par échange thallium/sodium sur un verre spécifiquement développé. / Glass integrated optics is a key enabling technology which applications range from opticaltelecommunications to sensors. The steady improvement of devices performances is sustainedby an increasing functions density and thus smaller waveguides supporting higher powerdensities. In this work we investigate the ultimate performances in terms of confinementand propagation length of the silver/sodium ion-exchanged waveguides fabricated on glasstechnology. In particular, a trade-off between these two features has been highlighted inthe case of nonlinear effects. We then demonstrate that the performances of silver/sodiumion-exchanged waveguides are mainly limited by optical losses introduced by metallic silveraggregates even for buried low-losses waveguides. Hence the waveguides exhibit a damagethreshold for high power densities. To overcome this limitation a major technology changehas been initiate and we present the first results obtained by thallium/sodium ion exchange.

L’optique intégrée sur verre est une technologie mature dont les nombreuses applica-tions vont des télécommunications optiques aux capteurs. L’amélioration constante des per-formances des dispositifs réalisés est basée sur une densification des fonctions et donc uneréduction des dimensions des guides d’onde ainsi qu’une augmentation de la densité de puis-sance que ceux-ci transportent. Dans ce travail, nous avons donc étudié les performancesultimes de la technologie de l’échange d’ions argent/sodium sur verre en matière de confi-nement et de longueur de propagation. En particulier, dans le cas de la génération d’effetsnon-linéaires, nous avons mis en évidence la nécessité de trouver un compromis entre ces deuxaspects. Nous démontrons alors que les performances des guides d’onde obtenus par échanged’ions argent/sodium sont intrinsèquement limitées par les pertes optiques attribuées à laprésence d’argent métallique. Ceci se traduit par la présence d’un seuil d’endommagementà fortes densités de puissances. Pour dépasser cette limitation nous avons proposé et ini-tié alors un changement radical de technologie dont nous présentons les premiers résultatsobtenus par échange thallium/sodium sur un verre spécifiquement développé. / Glass integrated optics is a key enabling technology which applications range from opticaltelecommunications to sensors. The steady improvement of devices performances is sustainedby an increasing functions density and thus smaller waveguides supporting higher powerdensities. In this work we investigate the ultimate performances in terms of confinementand propagation length of the silver/sodium ion-exchanged waveguides fabricated on glasstechnology. In particular, a trade-off between these two features has been highlighted inthe case of nonlinear effects. We then demonstrate that the performances of silver/sodiumion-exchanged waveguides are mainly limited by optical losses introduced by metallic silveraggregates even for buried low-losses waveguides. Hence the waveguides exhibit a damagethreshold for high power densities. To overcome this limitation a major technology changehas been initiate and we present the first results obtained by thallium/sodium ion exchange.

Orientador: Hugo Enrique Hernandez Figueroa / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-21T13:36:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 RubioNoriega_RuthEsther_M.pdf: 3183170 bytes, checksum: af9b79df81c18d5376bdcda8ca9f973a (MD5) Previous issue date: 2012 / Resumo: A principal contribuição deste trabalho _e a proposta da análise de estruturas periodicamente segmentadas na plataforma de silício sobre isolante (SoI), usando o método dos elementos finitos em um domínio computacional de duas dimensões...Observação: O resumo, na íntegra, poderá ser visualizado no texto completo da tese digital / Abstract: The principal contribution of this work is to propose the analysis of grating periodic structures on the silicon-on-insulator platform through the finite element method in a two dimension computational domain...Note: The complete abstract is available with the full electronic document / Mestrado / Telecomunicações e Telemática / Mestra em Engenharia Elétrica

Avec les avantages significatifs de stockage, de traitement et de transmission des informations, la science de l’information quantique a attiré des études abondantes lors des dernières décennies, par lesquelles de nombreuses preuves de principe ont été faite en utilisant des techniques expérimentales macro-photoniques. Cependant, l'applicabilité de ces technologies dépend fortement de la miniaturisation du système, i.e. l'intégration « sur-puce » des fonctionnalités photoniques quantiques. Les conditions prérequis générales d'une puce quantique intégrée sont la génération, le transport et la détection localisée et efficace de photons. Des efforts ont été réalisés avec succès comportant une ou deux fonctions nécessaires. Cependant, l'intégration complète reste encore inachevée. Basé sur des éléments nano-photoniques de semiconducteurs et des techniques de nano-fabrication simples, cette thèse vise à fournir une stratégie d'intégration « sur-puce ». Une excitation efficace et locale d'une source de photon unique par un guide d'onde inférieure à l'échelle de la longueur d'onde est d'abord démontrée. Ensuite, nous étudions l’échange efficace de la lumière entre les nanostructures et les guide d'onde, qui peuvent servir le bloc de liaison entre les dispositifs dans un système d'intégration. La fabrication et la caractérisation d'un photo-détecteur sensible basé sur un nanofil unique sont présentées, qui présente un grand potentiel pour la détection de photons uniques. A la fin, une perspective de l'intégration ultime de toutes ces fonctionnalités est fournie / With the significant advantages in storing, processing and transmitting information, quantuminformation science has attracted abundant studies in the last few decades, by which many proofs ofprinciple have been made using macro-photonic experimental techniques. However, the applicabilityof this technology still strongly depends on the miniaturization of the system, i.e. the on-chip integration of quantum photonic functionalities. The general prerequisites of an integrated quantumchip are localised and efficient generation, transportation and detection of photons. Some effortshave been made successfully involving one or two necessary features. However, the full integration still remains unaccomplished. Based on semiconductor nanophotonic elements and simple nanofabrication techniques, this thesis aims to provide a strategy for on-chip quantum photonic integration. An efficient and local excitation of a single photon source with a subwavelengthwaveguide is firstly demonstrated. Then we investigate the efficient light exchange betweennanostructures and waveguides that can serve as linking blocks between devices in an integrationsystem. The fabrication and characterisation of a sensitive photodetector based on a single nanowireis also presented, which exhibits great potential in single-photon detection. At the end, an outlook ofthe ultimate integration of all these functionalities is provided

L'objectif de ce travail de thèse est d'étudier le couplage plasmon-émetteur dans des structures plasmoniques hybrides, visant à renforcer l’interaction lumière-matière à l'échelle nanométrique. Contrairement aux cavités optiques dont le volume de modes est limité par la diffraction, les cavités plasmoniques offrent un unique avantage d’efficacité du confinement sub-longueur d'onde. Cela peut conduire à l’accroissement de la fluorescence des émetteurs placés dans leur voisinage. Pour cela, nous proposons comme dispositif de focalisation une structure intégrée d’un réseau annulaire avec des nanoantennes afin de garantir une meilleure efficacité. Ce dispositif bénéficie du couplage entre des plasmons polaritons de surface (SPP) qui se propagent à partir du réseau et des plasmons localisés de surface (LSP) localisés aux niveaux des nanoantennes afin de parvenir à une augmentation de champ plus élevée. Nous présentons une étude de caractérisation de la plate-forme plasmonique constitué du réseau de diffraction métallique annulaire, d’une nanoantenne en étoile, et la structure intégrée réseau/nanoantenne. Nous montrons comment cette structure peut conduire à une plus grande émission des molécules de colorants ainsi que de centre SiV du diamant. La combinaison du confinement sub-longueur d'onde des LSP et l'énergie élevé des SPP dans notre structure conduit à une focalisation précise qui peut être mis en œuvre pour étudier le couplage plasmon-émetteur dans les régimes de couplage faibles et forts / There is a growing interest nowadays in the study of strong light-matter interaction at the nanoscale, specifically between plasmons and emitters. Researchers in the fields of plasmonics, nanooptics and nanophotonics are constantly exploring new ways to control and enhance surface plasmon launching, propagation, and localization. Moreover, emitters placed in the vicinity of metallic nanoantennas exhibit a fluorescence rate enhancement due to the increase in the electromagnetic field confinement. However, numerous applications such as optical electronics, nanofabrication and sensing devices require a very high optical resolution which is limited by the diffraction limit. Targeting this problem, we introduce a novel plasmonic structure consisting of nanoantennas integrated in the center of ring diffraction gratings. Propagating surface plasmon polaritons (SPPs) are generated by the ring grating and couple with localized surface plasmons (LSPs) at the nanoantennas exciting emitters placed in the gap. We provide a thorough characterization of the optical properties of the simple ring grating structure, the double bowtie nanoantenna, and the integrated ring grating/nanoantenna structure, and study the coupling with an ensemble of molecules as well as single SiV centers in diamond. The combination of the sub-wavelength confinement of LSPs and the high energy of SPPs in our structure leads to precise nanofocusing at the nanoscale, which can be implemented to study plasmon-emitter coupling in the weak and strong coupling regimes