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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/73666 |
| Date | 13 December 2023 |
| Creators | Jean, Philippe |
| Contributors | LaRochelle, Sophie, Shi, Wei, Messaddeq, Younès |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | thèse de doctorat, COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xxiii, 145 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
Page generated in 0.0025 seconds