Les communications optiques basées sur la photonique sur silicium (SiP) sont au centre des récents efforts de recherche pour le développement des futures technologies de réseaux optiques à haut débit. Dans cette thèse, nous étudions le traitement numérique du signal (DSP) pour pallier aux limites physiques des modulateurs Mach-Zehnder sur silicium (MZM) opérés à haut débit et exploitant des formats de modulation avancés utilisant la détection cohérente. Dans le premier chapitre, nous présentons une nouvelle méthode de précompensation adaptative appelée contrôle d’apprentissage itératif par gain (G-ILC, aussi utilisé en linéarisation d’amplificateurs RF) permettant de compenser les distorsions non-linéaires. L’adaptation de la méthode G-ILC et la précompensation numérique linéaire sont accomplies par une procédure « hardware-in-the-loop » en quasi-temps réel. Nous examinons différents ordres de modulation d’amplitude en quadrature (QAM) de 16QAM à 256QAM avec des taux de symboles de 20 à 60 Gbaud. De plus, nous combinons les précompensations numériques et optiques pour contrevenir surmonter les limitations de bande-passante du système en régime de transmission haut débit. Dans le second chapitre, inspiré par les faibles taux de symbole du G-ILC, nous augmentons la vitesse de transmission au-delà de la limite de bande-passante du système SiP. Pour la première fois, nous démontrons expérimentalement un record de 100 Gbaud par 16QAM et 32QAM en transmission consécutive avec polarisation mixte. L’optimisation est réalisée sur le point d’opération du MZM et sur la DSP. Les performances du G-ILC sont améliorées par égalisation linéaire à entrées/sorties multiples (MIMO). Nous combinons aussi notre précompensation non-linéaire innovante avec une post-compensation. Par émulation de la polarisation mixte, nous réalisons un taux net de 833 Gb/s avec 32QAM au seuil de correction d’erreur (FEC) pour une expansion en largeur de bande de 20% et 747 Gb/s avec 16QAM (une expansion en largeur de bande de 7% du FEC). Dans le troisième chapitre, nous démontrons expérimentalement un algorithme de précompensation numérique basé sur une table de consultation (LUT) unidimensionnelle pour compenser les non-linéarités introduites à l’émetteur, e.g. réponse en fréquence non-linéaire du MZM en silicium, conversion numérique-analogique et amplificateur RF. L’évaluation est réalisée sur un QAM d’ordre élevé, i.e. 128QAM et 256QAM. Nous examinons la diminution en complexité de la LUT et son impact sur la performance. Finalement, nous examinons la généralisation de la méthode de précompensation proposée pour des jeux de données différents des données d’apprentissage de la table de consultation. / Optical communications based on silicon photonics (SiP) have become a focus of the recent research for future high speed optical network technologies. In this thesis, we investigate digital signal processing (DSP) approaches to combat the physical limits of SiP Mach-Zehnder modulators (MZM) driven at high baud rates and exploiting advanced modulation formats with coherent detection. In the first section, we present a novel adaptive pre-compensation method known as gain based iterative learning control (G-ILC, previously used in RF amplifier linearization) to overcome nonlinear distortions. We experimentally evaluate the G-ILC technique. Adaptation of the G-ILC, in combination with linear digital pre-compensation, is accomplished with a quasireal- time hardware-in-the-loop procedure. We examine various orders of quadrature amplitude modulation (QAM), i.e., 16QAM to 256QAM, and symbol rates, i.e., 20 to 60 Gbaud. Furthermore, we exploit joint digital and optical linear pre-compensation to overcome the bandwidth limitation of the system in the higher baud rate regime. In the second section, inspired by lower symbol rate G-ILC results, we push the baud rate beyond the bandwidth limit of the SiP system. For the first time, we experimentally report record-breaking 16QAM and 32QAM at 100 Gbaud in dual polarization back-to-back transmission. The optimization is performed on both MZM operating point and DSP. The G-ILC performance is improved by employing linear multiple input multiple output (MIMO) equalization during the adaptation. We combine our innovative nonlinear pre-compensation with post-compensation as well. Via dual polarization emulation, we achieve a net rate of 833 Gb/s with 32QAM at the forward error correction (FEC) threshold for 20% overhead and 747 Gb/s with 16QAM (7% FEC overhead). In the third section, we experimentally present a digital pre-compensation algorithm based on a one-dimensional lookup table (LUT) to compensate the nonlinearity introduced at the transmitter, e.g., nonlinear frequency response of the SiP MZM, digital to analog converter and RF amplifier. The evaluation is performed on higher order QAM, i.e., 128QAM and 256QAM. We examine reduction of LUT complexity and its impact on performance. Finally, we examine the generalization of the proposed pre-compensation method to data sets other than the original training set for the LUT.

Les systèmes de courte portée et de détection directe sont le dernier/premier kilomètre de la fourniture des services Internet d'aujourd'hui. Deux cas d'application sont abordés dans cette thèse, l'un concerne l'amélioration des performances des services Internet par la Fibre-To-TheHome ou les réseaux optiques passifs (PONs). L'autre est le radio access network (RAN) pour le fronthaul. Notre objectif pour RAN est de superposer les signaux 5G sur une infrastructure PON. Nous démontrons expérimentalement la génération d'un signal de répartition multiplexée de fréquences orthogonales (OFDM) à bande latérale unique en utilisant un modulateur IQ sur puce basé sur les photoniques au silicium à micro-anneau. Il s'agit d'une solution à coût bas permettant aux PONs d'augmenter les débits de données grâce à l'utilisation d'OFDM. Nous avons généré un signal OFDM à large bande avec un ratio de suppression de bande latérale de plus de 18 dB. Afin de confirmer la robustesse de la dispersion chromatique (CD), nous transmettons le signal généré OFDM SSB dans plus de 20 km de fibre de monomode standard. Aucun fading induit par la CD n'a été observé et le taux d'erreur sur les bits était bon. Nous proposons une solution de photoniques au silicium pour un réseau optique passif afin de mitiger l'interférence de battement signal-signal (SSBI) dans la transmission OFDM, et de récupérer une partie des porteuses de la liaison descendante pour une utilisation dans la liaison montante. Le sous-système recrée les interférences à une entrée du détecteur équilibré ; le signal de données corrompu par SSBI est à la deuxième entrée. L'annulation se produit via la soustraction dans la détection équilibrée. Comme notre solution de photoniques au silicium (SiP) ne peut pas filtrer les signaux idéalement, nous examinons un facteur d'échelle introduit dans la détection équilibrée qui peut balancer les effets de filtrage non idéaux. Nous montrons expérimentalement l'annulation de l'interférence donne de bonnes performances même avec une porteuse faible, soit pour un ratio porteuse/signal ultra bas de 0 dB. Bien que notre solution soit sensible aux effets de la température, notre démonstration expérimentale montre que le réglage de la fréquence résonante peut dériver jusqu'à 12 GHz de la valeur ciblée et présenter toujours de bonnes performances. Nous effectuons des simulations extensives du schéma d'annulation SSBI proposé, et suggérons une diverse conception polarisée pour le sous-système SiP. Nous examinons via la simulation la vulnérabilité à la variation de température et introduisons une nouvelle métrique de performance : Q-facteur minimum garanti. Nous nous servons de cette métrique pour évaluer la robustesse d'annulation SSBI contre la dérive de fréquence induite par les changements de température. Nous maximisons l'efficacité spectrale sous différentes conditions du système en balayant les paramètres de conception contrôlables. Finalement, les résultats de la simulation du système fournissent des indications sur la conception du résonateur micro-anneau, ainsi que sur le choix de la bande de garde et du format de modulation pour obtenir la plus grande efficacité spectrale. Finalement, nous nous concentrons sur la superposition des signaux 5G sur une infrastructure PON pour RAN. Nous expérimentalement validons un sous-système photonique au silicium conçu pour les réseaux optiques passifs avec réutilisation de porteuses et compatibilité radiosur-fibre (RoF) analogique 5G. Le sous-système permet la détection simultanée des signaux RoF et du signal PON transmis dans une seule tranche assignée de longueur d'onde. Tout en maintenant une qualité suffisante de détection des signaux RoF et PON, il n'y a que la puissance minimale de la porteuse qui est extraite pour chaque détection, ce qui conserve ainsi la puissance de la porteuse pour la modulation de liaison montante. Nous réalisons une suppression efficace du signal de liaison descendante en laissant une porteuse propre et forte pour la remodulation. Nous démontrons expérimentalement le signal RoF de liaison montante via un modulateur à micro-anneau. Nous avons détecté avec succès un signal à large bande de 8 GHz et cinq signaux RoF de 125 MHz simultanément. Et deux signaux RoF de 125 MHz sont remodulés sur la même porteuse. Le signal RoF de liaison montante généré est de 13 dB de plus que les signaux de liaison descendante, ce qui indique leur robustesse contre la diaphonie des signaux résiduels de la liaison descendante. / Short reach, direct detection systems are the last/first mile of today's internet service provision. Two use cases are addressed in this thesis, one is for enhancing performance of Internet services on fiber-to-the-home or passive optical networks (PON). The other is radio access networks (RAN) for fronthaul. Our focus for RAN is to overlay 5G signals on a PON infrastructure. We experimentally demonstrate the generation of a single-sideband orthogonal frequency division multiplexed (OFDM) signal using an on-chip silicon photonics microring-based IQ modulator. This is a low cost solution enabling PONs to increase data rates through the use of OFDM. We generated a wideband OFDM signal with over 18 dB sideband suppression ratio. To confirm chromatic dispersion (CD) robustness, we transmit the generated SSB OFDM signal over 20 km of standard single mode fiber. No CD-induced fading was observed and bit error rate was good. We propose a silicon photonics solution for a passive optical network to mitigate signal-signal beat interference (SSBI) in OFDM transmission, and to recuperate a part of the downlink carrier for use in the uplink. The subsystem recreates the interference at one balanced detector input; the data signal corrupted with SSBI is at the second input. Cancellation occurs via subtraction in the balanced detection. As our silicon photonics (SiP) solution cannot filter the signals ideally, we examine a scaling factor to be introduced to the balanced detection that can trade-off the non-ideal filtering effects. We show experimentally that the interference is cancelled, allowing good performance even with a weak carrier, that is, for ultra low carrier to signal ratio of 0 dB. Although our solution is sensitive to temperature effects, our experimental demonstration shows the tuning of the resonant frequency can drift by as much as 12 GHz from the targeted value and still provide good performance. We perform extensive simulations of the proposed SSBI cancellation scheme, and suggest a polarization diverse design for the SiP subsystem. We examine via simulation the vulnerability to temperature variation and introduce a new performance metric: minimum guaranteed Qfactor. We use this metric to evaluate the SSBI cancellation robustness against the frequency drift induced by temperature changes. We maximize the spectral efficiency under different system conditions by sweeping the controllable design parameters. Finally the system simulation results provide guidance on the microring resonator design, as well as choice of guard band and modulation format to achieve the highest spectral efficiency. Finally, we turn to focus on overlay 5G signals on a PON infrastructure for RAN. We experimentally validate a silicon photonic subsystem designed for passive optical networks with carrier reuse and 5G analog radio-over-fiber (RoF) compatibility. The subsystem enables the simultaneous detection of RoF signals and a PON signal transmitted in a single assigned wavelength slot. While maintaining sufficient quality of RoF and PON signal detection, only the minimum carrier power is leached off for each detection, thus conserving carrier power for uplink modulation. We realize effective downlink signal suppression to leave a clean and strong carrier for remodulation. We demonstrate experimentally the RoF uplink signal via a micro ring modulator. We successfully detected an 8 GHz broadband signal and five 125 MHz RoF signals simultaneously. And two 125 MHz radio over fiber signals are remodulated onto the same carrier. The generated uplink RoF signal is 13 dB over the downlink signals, indicating their robustness against the crosstalk from residual downlink signals.

Durant ma première année en tant que maître de conférences, j'ai travaillé dans le domaine des microondes où j'ai appris à utiliser la TLM [35]. Cet outil permet la modélisation de la propagation de signaux électromagnétiques en 3D. Ayant fait auparavant une thèse dans le domaine de l'optique intégrée, j'ai naturellement changé d'équipe en travaillant sur la thématique de la photonique en 2000 en collaborant étroitement avec Pierre Benech. Alors que les outils commerciaux de FDTD n'étaient pas encore très développés, j'ai commencé mes recherches en appliquant la TLM sur des structures semi-conductrices tel que des réseaux de Bragg dans des guides réfractifs [36]. Il a été notamment mis en avant les problèmes de profondeur de gravure et d'adaptation de modes entre celui du réseau et celui du guide d'onde. Je me suis ensuite investi sur la modélisation de guides à cristaux photoniques. J'ai participé à des collaborations pour étudier notamment les pertes radiatives d'un guide à cristal photonique 2D sur membrane en mettant en avant que sous certaines conditions ces pertes pouvaient être faibles [38]. Suite à ce travail, j'ai participé à deux projets RMNT et ACI pour la modélisation de microdisques ainsi qu'à leur couplage avec un guide adjacent soit pour une application laser ou une application de dé/multiplexeur. Je me suis donc intéressé à ces structures cylindriques du type microdisque, microanneau ou microtore. Il a été notamment proposé une nouvelle structure de microdisque dentelé dit "microgear" simulée avec une méthode basée sur une décomposition de Fourier plus rapide et rigoureuse. Ces structures présentent de bons facteurs de qualité avec pour certaines des volumes de modes optiques faibles, compatibles avec une intégration planaire. Généralement ces structures suivent une certaine forme de symétrie. Les microdisques et les microanneaux peuvent ainsi être représentés avec des coordonnées cylindriques. Dans ce type de repère, il est alors possible dans un premier temps d'utiliser des fonctions de Bessel pour représenter les modes résonants qui parcourent ces structures. De nombreux calculs en 2D sont alors possibles pour décrire la propagation de ces modes ou leur interaction avec un guide par exemple. Les modes de galerie des sphères peuvent être décrits par des fonctions de Bessel sphériques. Dans ce cas, la description se fait complètement en 3D sans recours à des outils numériques spécifiques. Néanmoins, pour modéliser ces objets en 3D avec la possibilité de les compléxifier ou de briser leur symétrie, il est important d'utiliser un outil 3D numérique adapté. Je me suis intéressé alors à des méthodes modales. Celles-ci permettent en effet d'avoir plus d'informations sur les phénomènes physiques mis en jeu. J'ai notamment porté mon choix sur des méthodes donnant accès à une décomposition en modes propres par l'intermédiaire d'une décomposition en série de Fourier la RCWA pour Rigorous Couple Wave Analysis. Initialement, elle fut plutôt utilisé pour étudier des structures périodiques notamment des réseaux de Bragg [49, 48, 47]. Mais maintenant, cette méthode peut être aussi appliquée sur des structures apériodiques comme des guides intégrés [46]. Au vu des potentialités de la méthode, j'ai décidé de m'approprier cet outil dans le même type de système de coordonnées en 2D. Je me suis tout particulièrement intéressé à l'interaction d'un mode guidé faiblement confiné avec un nanobjet métallique. Cet exemple montre tout l'intérêt de cette méthode capable de simuler des objets avec un indice de réfraction complexe et une taille largement inférieure à la taille du mode d'excitation. J'ai ensuite proposé un nouveau type de développement de cette méthode pour décrire des modes respectant une symétrie cylindrique. Une première solution consiste à utiliser une transformation conforme de la structure pour retrouver les propriétés de l'AFMM en coordonnées cartésiennes. Puis une nouvelle solution en cours de développement est actuellement étudiée pour modéliser directement la structure dans un repère cylindrique. Cette nouvelle description a débouché sur une description 3D de la méthode permettant de modéliser des guides courbes. Une autre méthode légèrement différente a été aussi proposée calculant uniquement des modes résonants dans des structures 3D à symétrie cylindrique. En fixant l'évolution azimutale du mode, on peut aussi utiliser une variante de la méthode précédente 2D en périodisant la structure selon un axe perpendiculaire aux axes radial et azimutal. Ce travail est issu d'une collaboration entre l'INP et l'université de Ferrara. Il a été montré qu'avec cette méthode, il était possible de simuler des microdisques ou des microanneaux. Il a été aussi montré qu'avec l'ajout d'une fente d'un indice de réfraction plus faible, il était possible d'avoir des volumes de modes plus faibles en utilisant la propriété de confinement des guides à fentes. Ces différents développements ont aussi été appliqués sur des systèmes photoniques réalisés en optique intégrée sur verre. Je me suis notamment investi dans le développement de spectromètres optiques de Fourier intégrés. J'ai participé pour cela à des projets CNES et FUI pour modéliser le spectromètre SWIFTS (Stationnary Waves Interferometer Fourier Transform Spectrometer). Ce nouveau système dont la puce en verre est d'une taille d'une allumette couplée à une barrette de photodétecteurs linéaires permet d'atteindre des résolutions spectrales de 10pm sur une bande spectrale allant de 700nm à 1000nm. Une brique de base de son fonctionnement est notamment l'interaction du mode guidé avec des nanoplots métalliques. Un autre type de spectromètre moins complexe a été aussi mis en œuvre pour étudier des spectres dans le proche infra-rouge avec des résolutions spectrales de l'ordre du nanomètre. Ce système nommé LLIFTS (Leaky Loop Interferometer Fourier Transform Spectrometer) est constitué notamment de guides courbes couplés à un guide plan. La méthode AFMM cylindrique nous permet donc de simuler directement ce type de structure. Je dirige notamment un projet ANR pour utiliser ce type de composant dans un système OCT.

Dans les prochaines décennies, les limites des systèmes de communications optiques actuels seront atteintes à moins d'adopter de nouvelles solutions. L'une d'elles est l'utilisation d'une nouvelle plage spectrale autour de 2 µm stimulée par l'apparition des amplificateurs fibrés dopés thulium. Dans ce manuscrit, nous nous y intéresserons dans le cadre de transmissions très courtes distances sur puces photoniques. Divers matériaux, dont le dioxyde de titane, seront ainsi explorés.Ce travail de thèse a deux principaux objectifs. D'une part, il vise à démontrer que le dioxyde de titane (TiO2), matériau encore peu exploré, est prometteur pour des applications télécoms en le comparant à des plateformes plus matures. D'autre part, il tend à introduire la bande spectrale autour de 2 µm comme une solution à envisager pour les télécommunications de nouvelle génération.Plus précisément, la première partie de cette thèse a pour but de développer une technique pour coupler efficacement la lumière dans les structures en TiO2). Pour la première fois, une configuration faisant appel à un réseau métallique enterré a été évaluée numériquement avant d'être caractérisée expérimentalement. La seconde partie présente des transmissions télécoms haut-débit (10 Gbit/s) autour de µm réalisées sans erreurs dans des guides d'ondes sub-longueur d'onde ou multimodes en dioxyde de titane, silicium ou silicium-germanium. Pour terminer, des fonctions non-linéaires sont explorées sur ces puces photoniques. Il a été ainsi démontré une conversion en longueurs d'onde à 2 µm atteignant -10dB sur silicium ou la génération du premier supercontinuum s'étalant du visible à 2 µm dans un guide d'onde en TiO2. / In the next decades, the limits of current optical communication systems will be reached unless new solutions are adopted. On of them is the use of a new spectral range around 2 µm enabled by the emergence of thulium-doped fiber amplifiers. In this thesis, we will focus on it in the context of very short distances transmissions on photonic chips. Various materials, mainly titanium dioxide (TiO2), will be explored.This thesis work has two main objectives. On the one hand, it aims to demonstrate that a material relatively unexplored, titanium dioxide, is promising for telecom applications by comparing it to more mature plateforms. On the other hand, it tends to introduce the spectral band around 2 µm as a solution to be considered for next-generation communications.More precisely, the first part of this thesis aims to develop a technique to efficiently couple light in TiO2 structures. For the first time, a configuration using a buried metallic grating was evaluated numerically and then characterized experimentally. The second part presents error-free high-speed (10 Gbit/s) telecom transmissions around 2 µm carried out in subwavelength or multimode waveguides in titanium dioxide, silicon or silicon-germanium. Finally, nonlinear functions are explored on the photonic chips. Thus, it has been demonstrated a wavelength conversion at 2 µm reaching -10dB on a silicon waveguide or the first supercontinuum generation spreading from visible to 2 µm wavelength in a TiO2 waveguide.

L'autocollimation permet de propager un faisceau lumineux sans étalement latéral et en l'absence de tout guide optique. Cette thèse traite de la conception de cavités membranaires GaAs à autocollimation pour démontrer une nouvelle génération de cavité laser, ici émettant aux environs de 1 µm. La première partie concerne l'étude théorique d'une cavité à autocollimation reposant sur un cristal photonique à maille carrée. Un modèle d'onde plane est développé pour simuler la propagation de modes dans ce milieu. Le dimensionnement, les propriétés de guidage et de sélectivité spectrale et spatiale d'une cavité à autocollimation sont analysées. La deuxième partie évalue la fabrication d'une cavité membranaire GaAs à cristal photonique en régime d'autocollimation. Ce travail passe par la mise au point d'un procédé de masquage et de gravure RIE spécifique. Un second volet porte sur la minimisation des dégradations du matériau actif induites lors de la fabrication. Sur ce point, un modèle balistique a été développé pour estimer le temps de gravure optimal et réduire ainsi les défauts générés lors de la gravure. Des voies de passivations électroniques post-process à base de sulfures et nitrures sont également examinées.

L’intégration photonique permet de réduire la taille et la consommation d’énergie des systèmes de communication par fibre optique par rapport aux systèmes assemblés à partir de composants unitaires. Cette technologie a récemment suscité un grand intérêt avec les progrès de l’intégration sur InP et le développement de la photonique sur silicium. Cette dernière challenge la plate-forme d’intégration sur InP car des composants à hautes performances et faibles coûts peuvent être fabriqués dans des fonderies originellement développées pour la microélectronique. Les lasers sont l'une des pièces maitresses des émetteurs-récepteurs pour les communications optiques. Leur intégration sur la plateforme silicium permet de développer des émetteurs-récepteurs comprenant les fonctions critiques d’émission de lumière, de modulation et de détection sur une même puce. L’intégration de matériaux III-V par collage moléculaire sur plaque silicium permet de produire de grands volumes : plusieurs dizaines voire centaines de composants sont réalisés par wafer. Dans cette thèse, j’ai étudié théoriquement et expérimentalement les propriétés des lasers accordables basés sur des résonateurs en anneau en silicium, des lasers à rétroaction distribuée modulés directement et des lasers à haut facteur de qualité qui présentent un faible bruit de phase et d’intensité. / Photonic integration reduces the size and energy consumption of fiber optic communication systems compared to systems assembled from discrete components. This technology has recently attracted a great interest with the progress of integration on InP and the development of silicon photonics. The latter challenges the integration platform on InP as high-performance and low-cost components can be manufactured in foundries originally developed for microelectronics. Lasers are one of the main parts of transceivers for optical communications. With their integration on the silicon platform, transceivers that include the critical functions of light emission, modulation and detection on the same chip can be made. In the heterogeneous integration platform, components are manufactured in high volumes: several tens or even hundreds of components are produced per wafer. In this thesis, I studied theoretically and experimentally the properties of tunable lasers based on silicon ring resonators, directly modulated distributed feedback lasers and low noise high-quality factor lasers

Semiconductor surfaces coupled to molecular structures derived from organic chemistry form the basis of an emerging class of field-effect devices. In addition to molecular electronics research, these interfaces are developed for a variety of sensor applications in the electronic and optical domains. Of practical interest are self-assembled monolayers (SAMs) comprised of n-alkanethiols [HS(CH[subscript 2])[subscript n]R], which couple to the GaAs(001) surface through S-GaAs covalent bond formation. These SAMs offer potential functionality in terms of the requisite sensor chemistry and the passivation effect such coupling is known to afford. In this thesis, the SAM-GaAs interface is investigated in the context of a photonic biosensor based on photoluminescence (PL) variation. The scope of the work is categorized into three parts: i) the structural and compositional analysis of the surface using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), ii) the investigation of electronic properties at the interface under equilibrium conditions using infrared (IR) spectroscopy, the Kelvin probe method, and XPS, and iii) the analysis of the electro-optic response under steady-state photonic excitation, specifically, the surface photovoltage (SPV) and PL intensity. Using a partial overlayer model of angle-resolved XPS spectra in which the component assignments are shown to be quantitatively valid, the coverage fraction of methyl-terminated SAMs is shown to exceed 90%. Notable among the findings are a low-oxide, Ga-rich surface with elemental As present in sub-monolayer quantities consistent with theoretical surface morphologies. Modal analysis of transmission IR spectra show that the SAM molecular order is sufficient to support a Beer-Lambert determination of the IR optical constants, which yields the observation of a SAM-specific absorbance enhancement. By correlation of the IR absorbance with the SAM dipole layer potential, the enhancement mechanism is attributed to the vibrational moments added by the electronic polarizability in the static field of the SAM. Lastly, the surface Fermi level position is determined by XPS and is used to interpret SPV results in terms of a thiol-induced reduction of the surface cross-section for minority carrier-capture. Numerical analysis confirms this result based on the carrier transport theory of PL intensity by means of a reduction of the surface recombination velocity.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

La technologie photovoltaïque se caractérise par sa capacité à réduire constamment le coût de l’électricité délivrée, notamment grâce aux innovations technologiques. Un pas important a été franchi dans ce sens grâce à la mise en place d’une filière utilisant des couches minces, réduisant significativement la quantité de matériau actif nécessaire. Aujourd’hui, ces efforts se poursuivent et des couches semi-conductrices ultraminces voient le jour. Du fait de leur faible épaisseur, ces couches souffrent d’une faible absorption de la lumière, ce qui limite le rendement de conversion des cellules. Pour répondre à ce problème, les concepts issus de la nano-photonique peuvent être employés afin de contrôler la lumière à l’échelle des longueurs d’onde mises en jeu. Dans ce contexte, nous proposons de structurer la couche active des cellules solaires en cristal photonique (CP) absorbant. Cette nano-structure périodique assure simultanément une collection efficace de la lumière aux faibles longueurs d’onde et un piégeage des photons dans la couche active (ici en silicium amorphe hydrogéné) pour les longueurs d’onde situées près de la bande interdite du matériau absorbant. Dans le cadre de cette étude, des simulations optiques ont été utilisées de manière à optimiser les paramètres du CP, engendrant ainsi une augmentation de l’absorption de plus de 27% dans la couche active sur l’ensemble du spectre utile, et à établir des règles de design en vue de la fabrication des cellules structurées. Les principes physiques régissant leurs propriétés optiques ont été identifiés à partir d’une description analytique du système. Des mesures optiques réalisées sur les échantillons structurés, ont conforté les résultats de simulation et mis en évidence la robustesse de l’absorption de la cellule à l’égard de l’angle d’incidence de la lumière et des imperfections technologiques. Des simulations opto-électriques complémentaires ont démontré qu’une augmentation du rendement de conversion est réalisable, à condition d’introduire une étape de passivation de surface appropriée dans le procédé de fabrication de ces cellules. / The photovoltaic technology is pursuing its constant effort for lowering the price of the electricity delivered, notably thanks to the technological innovations. The use of thin-films based solar cells was an important step towards that direction since it enabled to decrease the amount of active material needed. Recently, ultrathin semi-conductor layers have emerged. Due to their limited thickness, those layers are suffering from a weak absorption of the incoming light which degrades the conversion yield of the resulting cells. To tackle this issue, nano-photonic concepts may offer well-suited solutions to handle the light at the wavelength scale. In this context, we propose to pattern the active layer of solar cells as an absorbing photonic crystal (PC). This periodical nano-structure ensures simultaneously an efficient collection of the light at low wavelengths, together with an appropriate method for trapping photons inside the active layer for the wavelengths close to the material bandgap, which in our case consists in hydrogenated amorphous silicon. In the framework of this study, optical simulations were used to optimize the PC parameters so as to provide a significant (+27% in the sole active layer) absorption increase over the whole spectrum considered and guidelines for the fabrication of the patterned cells. The physics principles ruling their optical properties were identified out of an analytical description of the system. Optical measurements carried on the patterned samples confirmed the simulation results and highlighted the robustness of the overall absorption with regards to the angle of incidence of the light and technological imperfections. In addition, opto-electrical simulations revealed that an increase of the conversion yield can be expected, provided that an appropriated surface passivation step is introduced in the fabrication process.

Cette thèse étudie la conception, la fabrication et la caractérisation de micro-disques de carbure de silicium sur substrat de silicium conçus pour opérer du proche au moyen infrarouge. Nous étudions une approche simple mais efficace permettant de supprimer les modes de galerie d'ordre supérieur tout en préservant le facteur de qualité du mode fondamental. Cette suppression, utile par exemple pour la génération de peignes de fréquence se base simplement sur la sous-gravure du pilier de silicium et est aisément transposable à d'autres plateformes ou longueurs d'onde. Le premier chapitre est une introduction générale aux micro-résonateurs à modes de galerie dans lequel nous décrivons la physique extrêmement riche de ces structures. Le deuxième chapitre se concentre sur les micro-disques de SiC à proprement parler. Nous commençons par une introduction générale du matériau puis nous simulons la propagation de la lumière dans les résonateurs pour concevoir des structures innovantes. En utilisant l'indice de réfraction optique supérieur du Si à celui du SiC, nous montrons qu'il est possible de supprimer les modes radiaux d'ordre supérieur. Nous traitons ensuite brièvement des étapes de fabrication. Le troisième chapitre regroupe les expériences réalisées sur les micro-disques. Des premières caractérisations par couplage évanescent dans le proche infrarouge permettent d'identifier les modes de galerie du résonateur. Ensuite, des caractérisations sur des disques de sous-gravure inférieure mettent en évidence la suppression des modes d'ordre supérieur. Nous réalisons enfin une étude thermo-optique du matériau afin de valider son emploi à forte puissance et haute température, des régimes dans lesquels le SiC se démarque des autres matériaux d'optique intégrée. Pour terminer, nous consacrons le dernier chapitre aux perspectives pour l'optique non-linéaire et le moyen infrarouge où nous proposons une étude de l’ingénierie de la dispersion qui doit nous permettre, à l’avenir, de réaliser des sources de type peigne de fréquence. / This Ph.D. thesis studies the design, fabrication and characterization of silicon carbide micro-disks on top of silicon designed to operate from the near to the mid-IR. We study a simple but efficient approach leading to the suppression of higher order whispering gallery modes while preserving the fundamental mode's quality factor. This suppression, typically useful for frequency comb generation is simply based of the silicon pillar under etching and can be easily transferred to other material platforms and wavelengths. The first chapter is a general introduction of whispering gallery mode micro-resonator in which we describe the extremely complex and diverse physics of these structures. The second chapter is focused on SiC micro-disks themselves. We begin with a general introduction of the material to continue by simulating light propagation inside these resonators to be able to design innovative structures. Using the higher optical refractive index of silicon compared to the one of silicon carbide, we demonstrate that it is possible to suppress higher radial modes. We then briefly describe the fabrication processes. The third chapter gather the experimental studies lead on the micro-disks. First characterizations by evanescent coupling in the near infrared enable us to identify the whispering gallery modes inside the resonator. Characterization on micro-disks with smaller under-etching then enables us to demonstrate the higher suppression. We finally lead a thermo-optic study of the material to validate its compatibility to high power and high temperature regimes in which SiC stand out from other integrated optics materials. Finally, the last chapter is dedicated to non-linear optics and mid-infrared perspectives. We propose a dispersion study that, we hope, should enable the generation of Kerr frequency combs sources in a near future.