La photonique sur silicium s'est établie comme plate-forme de choix pour le développement de systèmes photoniques abordables et ultra-compacts pouvant être fabriqués en masse et co-intégrés avec la microélectronique. Ces avantages contrastent avec les propriétés optiques imparfaites du silicium, créant une incertitude quant à la pertinence de la plate-forme face aux matériaux émergents qui promettent de meilleures performances pour des tâches spécifiques. Toutefois, ces matériaux émergents accusent un retard de développement face aux avancées rapides du silicium en matière de techniques de fabrication, de méthodes de conception et de maturité des composants. L'intégration hétérogène de matériaux émergents avec le silicium combine le meilleur des deux mondes : une solution aux limitations du silicium et un parcours de développement accéléré pour les nouveaux matériaux. L'étude des méthodes, des matériaux et des composants se rapportant à l'intégration hétérogène est un sujet riche trouvant application dans plusieurs domaines technologiques importants. La recherche réalisée dans cette thèse contribue au domaine de l'intégration hétérogène pour la plate-forme silicium-sur-isolant (SOI) avec une emphase sur les matériaux amorphes. Nos six contributions abordent divers sujets passant de la photonique athermique à la science des couches minces et culminent en une œuvre qui établit de nouvelles techniques, de nouveaux composants, de nouveaux matériaux et de nouveaux concepts. Dans notre première contribution, nous introduisons le verre de chalcogénure As₂₀S₈₀ comme matériau pour la compensation thermique des guides d'ondes en silicium. Contrairement aux démonstrations antérieures, l'indice élevé, les faibles pertes du film et sa capacité à être recoulé aboutissent en un guide d'ondes hybride à faible perte. Ces résultats s'ajoutent à la courte liste de matériaux pour la photonique athermique et démontre la possibilité d'obtenir à la fois un haut facteur de qualité et une bonne stabilité thermique dans un microrésonateur de silicium. Dans notre deuxième contribution, nous itérons sur nos travaux précédents pour démontrer l'usage des guides à réseaux sous-longueur d'onde afin d'améliorer l'interaction matière-lumière des guides hybrides As₂₀S₈₀-Si. L'ajout de degrés de liberté permet d'atteindre une compensation thermique presque parfaite avec un coefficient thermique du guide d'ondes réduit à −2.93 × 10⁻⁶ RIU/K. De plus, nous démontrons la possibilité de recouler le verre afin d'éliminer les vides d'air formés lors de la déposition de la gaine. Dans notre troisième contribution, nous présentons une nouvelle technique pour fabriquer des guides d'ondes de chalcogénure sans gravure directement couplés à des guides d'ondes de silicium. La technique est basée sur le remplissage de microsillons, où des ouvertures sont gravées dans la gaine d'oxyde jusqu'à la couche de silicium. Un recuit au-delà de la température de transition vitreuse permet d'induire le démouillage de la couche mince et mène à la formation d'un guide d'ondes rectangulaire lisse avec de faibles pertes de propagation de 0.7 dB · cm⁻¹. Dans notre quatrième contribution, nous utilisons la méthode de remplissage de microsillons afin d'intégrer pour la première fois l'oxyde de tantale avec le silicium. L'avantage de l'oxyde de tantale est souligné par la démonstration de microrésonateurs ayant une excellente stabilité thermique sur une bande passante record de 120 nm. Les propriétés linéaires et non linéaires exceptionnelles de l'oxyde de tantale suggèrent que ces microrésonateurs hybrides pourront trouver plusieurs applications futures. Dans notre cinquième contribution, nous proposons et démontrons de façon numérique et expérimentale que le remplissage de microsillons est une méthode d'intégration hétérogène universelle pouvant accommoder une très grande variété de matériaux amorphes. Par ailleurs, nous démontrons des microrésonateurs de chalcogénures ultra-compacts à haut facteur de qualité afin de supporter le fait que cette méthode ne compromet pas la densité d'intégration de la plate-forme SOI. Nous concluons ce chapitre avec une preuve de concept pour un nouveau guide d'ondes multi-couches rendu possible par la méthode de remplissage de microsillons. Finalement, dans notre sixième contribution, le phénomène du démouillage dans les couches minces est étudié plus en détails et appliqué au développement de composants photoniques auto-assemblés à très faible pertes. Nous présentons les résultats d'un étude expérimentale approfondie de l'effet d'un recuit à haute température sur les properties des films de As₂₀S₈₀, démontrant, entre autres, qu'il est possible d'atteindre des rugosités de surface d'échelle atomique avec cette méthode. Ce résultat suggère que le démouillage pourrait jouer un rôle important en photonique à pertes ultra-faibles puisque que le phénomène permet de diminuer la source de perte principale, la diffusion causée par la rugosité de surface. Ce potentiel est mis de l'avant par la démonstration d'un facteur de qualité record (4.7 × 10⁶) dans un microrésonateur planaire de chalcogénure. / Silicon photonics is the platform of choice for the development of low-cost and ultra-compact photonic systems that can be manufactured in high volume and co-integrated with micro-electronics. These advantages contrast with silicon imperfect optical properties, leading the platform to be challenged by emerging materials that promise improved performances for specific tasks. However, emerging platforms struggle to catch up with the rapid advances in silicon photonics fabrication techniques, design methods and components maturity. The heterogeneous integration of emerging materials with silicon provides the best of both worlds: a solution to silicon's limitations and an accelerated development path for novel materials. The study of heterogeneous integration methods, materials and devices is a rich topic with applications in many technologically important fields. The research conducted in this thesis contributes to the field of heterogeneous integration for the silicon-on-insulator (SOI) platform, with a focus on amorphous materials. Our six contributions touch on various topics from athermal photonics to thin-film science and culminates in a body of work that establishes novel techniques, components, materials and concepts. In our first contribution, we introduce the chalcogenide glass As₂₀S₈₀ as a material for thermal compensation in silicon photonics. In contrast with previous demonstrations, the high-index, low film loss and ability to reflow results in low-loss hybrid waveguides. These results add to the problematically short list of materials for athermal silicon photonics and show the possibility of achieving both high quality factor and thermal stability in a silicon microresonator. In our second contribution, we iterate on the first contribution and demonstrate the use of subwavelength grating waveguides to improve the light-matter interaction in hybrid As₂₀S₈₀-Si waveguides. The added degrees of freedom result in a nearly perfect thermal compensation with a waveguide thermo-optic coefficient reduced to −2.93 × 10⁻⁶ RIU/K. Moreover, we show that the soft chalcogenide glass can be reflowed at CMOS compatible temperature to fill the air voids that are systematically formed in the cladding. In our third contribution, we present a novel fabrication technique for etchless chalcogenide waveguides directly coupled to silicon waveguides. The technique is based on micro-trench filling, where oxide opening windows are etched in the silica cladding down to the silicon waveguide layer. An annealing step beyond the glass transition temperature induce dewetting of the thin-film and leads to the formation of smooth rectangular strip waveguides with low propagation loss of 0.7 dB · cm⁻¹. In our fourth contribution, we use the micro-trench filling method to integrate tantalum pentoxide with silicon for the first time. The advantage of using tantala is highlighted through the demonstration of microresonators with excellent thermal stability over a record bandwidth of more than 120 nm. The exceptional linear and nonlinear properties of tantala suggest many more applications for these hybrid microresonators. In our fifth contribution, we propose and demonstrate, through numerical and experimental validation, that the micro-trench filling technique is a universal heterogeneous technique compatible with a very large variety of amorphous materials. Furthermore, we demonstrate high quality factor, ultra-compact chalcogenide microresonators to support the fact that this method does not compromise SOI integration density. This chapter is concluded by a proof-of-concept for a novel multilayer waveguide geometry enabled by the micro-trench filling technique. Finally, in our sixth and last contribution, the dewetting phenomenon is further investigated for the development of self-assembled ultra-low-loss integrated photonics components. We present the results of an in-depth experimental study of the effect of high-temperature annealing on the properties of As₂₀S₈₀ thin-films, showing, among other things, that it is possible to reach atomic-scale surface roughness using this method. This result suggests that dewetting could play a role for future ultra-low-loss photonics since it alleviates the dominant source of loss. This potential is highlighted by demonstrating the highest quality factor (4.7 × 10⁶) in a compact chalcogenide microresonator.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2007. / Titre de l'écran-titre (visionné le 5 mai 2008). Bibliogr.

Dans ce projet de recherche, le dépôt des couches minces de carbone amorphe (généralement connu sous le nom de DLC pour Diamond-Like Carbon en anglais) par un procédé de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (ou PECVD pour Plasma Enhanced Chemical Vapor deposition en anglais) a été étudié en utilisant la Spectroscopie d’Émission Optique (OES) et l’analyse partielle par régression des moindres carrés (PLSR). L’objectif de ce mémoire est d’établir un modèle statistique pour prévoir les propriétés des revêtements DLC selon les paramètres du procédé de déposition ou selon les données acquises par OES. Deux séries d’analyse PLSR ont été réalisées. La première examine la corrélation entre les paramètres du procédé et les caractéristiques du plasma pour obtenir une meilleure compréhension du processus de dépôt. La deuxième série montre le potentiel de la technique d’OES comme outil de surveillance du procédé et de prédiction des propriétés de la couche déposée. Les résultats montrent que la prédiction des propriétés des revêtements DLC qui était possible jusqu’à maintenant en se basant sur les paramètres du procédé (la pression, la puissance, et le mode du plasma), serait envisageable désormais grâce aux informations obtenues par OES du plasma (particulièrement les indices qui sont reliées aux concentrations des espèces dans le plasma). En effet, les données obtenues par OES peuvent être utilisées pour surveiller directement le processus de dépôt plutôt que faire une étude complète de l’effet des paramètres du processus, ceux-ci étant strictement reliés au réacteur plasma et étant variables d’un laboratoire à l’autre. La perspective de l’application d’un modèle PLSR intégrant les données de l’OES est aussi démontrée dans cette recherche afin d’élaborer et surveiller un dépôt avec une structure graduelle. / The production of amorphous carbon coatings or as commonly known as diamond like carbon (DLC) coatings, using the plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) method is studied through optical emission spectroscopy (OES) as a plasma diagnostic technique and the partial least square regression (PLSR) statistical method. The objective is to establish a model to predict DLC properties independent of reactor-related parameters, in order to be used in any other similar deposition process. Therefore the model correlates the deposited coating properties to plasma parameters derived from OES. The OES derived data carries a variety of information about plasma characteristics. The relative spectral line intensities of CH and atomic H to specific Ar lines were employed as a probe of their concentrations according to actinometry method. The full width at half maximum of atomic H was also employed. This method can be used as a probe of gas temperature via Doppler broadening effect. The DLC coatings were characterized using profilometry for thickness and stress measurements and Auger electron spectroscopy (AES) for structural analysis. There were two series of PLSR analysis carried out: The first analysis studies the correlation between process parameters and plasma characteristics, as derived by OES, for a better understanding of the plasma deposition process. The second analysis shows how the OES can be used for prediction of coating properties and for process monitoring. According to the results, the OES data (especially the parameters that are related to the concentration of atomic hydrogen and CH species) are able to represent some parts of process parameters (plasma power, mode and pressure) in a statistical model that is designed for predicting DLC coating properties. In other words, this means that this plasma diagnostic technique can be employed for in-situ monitoring of growing DLC coating properties, instead of using process parameters, which are related to the deposition reactor and may vary from one system to another. The perspective of using the OES data and the PLSR analysis in designing and monitoring a structurally gradient DLC coating is also discussed.

Parmi les différentes structures de machines électriques existantes, les machines à flux transverse (MFT) sont reconnues pour leur fort couple massique et volumique. Malgré cet avantage, leur complexité et leur coût de fabrication élevés font que ce type de machine ne dépasse que rarement le stade de prototype. De plus, d’importantes pertes fer dues à des fréquences de fonctionnement élevées limitent encore l’utilisation de ces machines aux applications basse vitesse et fort couple : la MFT est alors principalement utilisée dans des dans les aérogénérateurs à attaque directe et dans certaines applications de traction électrique (bus, automobile, tram, navire, …). Le travail présenté dans ce mémoire s’inscrit dans le cadre du développement d’une nouvelle configuration de MFT : la MFT à griffe ou claw-pole, à stator hybride. Grâce à l’utilisation combinée de tôles électriques et de poudre de fer au stator de la machine, les pertes fer de cette configuration de MFT sont considérablement réduites et sa fabrication grandement simplifiée. Le concept de stator hybride peut être exploité pour réduire les pertes fer de la MFT encore davantage, par l’emploi de matériaux possédant des propriétés magnétiques supérieures à celles des matériaux actuellement utilisés au stator de la machine. L’effet de la substitution des noyaux de tôles électriques au stator par des noyaux fabriqués à partir de matériaux amorphes est étudié dans ce mémoire. Des mesures expérimentales de pertes fer permettent, dans un premier temps, de prouver la réduction des pertes totales d’une MFT claw-pole à stator hybride monopolaire utilisant des noyaux amorphes. Dans un second temps, des simulations par éléments finis couplées à des résultats expérimentaux montrent l’augmentation du rendement d’une MFT complète à noyaux amorphes et le maintien de ce dernier à un niveau élevé à des fréquences de fonctionnement supérieures à 400 Hz. / Transverse flux machines (TFM) are known for their excellent torque-to-mass and torque-to-volume ratio when compared to conventional machines. Despite this advantage, they have some serious shortcomings like complex construction and high cost, explaining why TFM that can be found in the literature are usually only prototypes. Moreover, the TFM shows a dependence of its force density upon its pole pitch and airgap thickness, which leads to high electrical frequencies and thus to high core losses. For all these reasons, this type of machine could be considered in high-torque low-speed applications such as wind turbines or electrical traction drives. The work presented in this document contributes to the development of a new TFM configuration: the claw-pole TFM with hybrid stator (CPTFMHS). Such a stator built from a combination of Fe-Si laminations and powdered iron (SMC), enables reducing iron losses significantly and improving the ease of manufacturing of the machine. The concept of the hybrid stator can be further developed by using new magnetic materials with lower specific losses. The substitution of Fe-Si laminations by amorphous cores in the stator of the CPTFMHS is studied in this work and presented here. Experimental measurements are conducted on a one-pole pair CPTFMHS machine with an amorphous core: the results show a reduction of the total iron losses, thus proving benefits of amorphous cores used in the machine. Finite element simulations coupled with experimental measurements lead to the following conclusion: the efficiency of a CPTFMHS machine can be maintained to a high level at frequencies above 400 Hz, thanks to the use of amorphous cores, which may not be possible with Fe-Si laminations.