Jury members:

Delphine MARRIS-MORINI, Professeur, Université Paris-Sud, Directeur de thèse

Gunther ROELKENS, Professeur, Ghent University, Rapporteur

Roland TEISSIER, Directeur de Recherche, Institut d'Electronique et des Systèmes, Rapporteur

Maria TCHERNYCHEVA, Directeur de Recherche, CNRS, Examinateur

Sergio NICOLETTI, Ingénieur, CEA Leti, Examinateur

Joan Manel RAMIREZ, Ingénieur, III-V Lab, Examinateur

Abstract :

Mid-infrared (mid-IR) spectroscopy is a nearly universal way to identify chemical and biological substances, as most of the molecules have their vibrational and rotational resonances in the mid-IR wavelength range. Commercially available mid-IR systems are based on bulky and expensive equipment, while lots of efforts are now devoted to the reduction of their size down to chip-scale dimensions. The use of silicon photonics for the demonstration of mid-IR photonic circuits will benefit from reliable and high-volume fabrication to offer high performance, low cost, compact, lightweight and power consumption photonic circuits, which is particularly interesting for mid-IR spectroscopic sensing systems that need to be portable and low cost. Among the different materials available in silicon photonics, Germanium (Ge) and Silicon-Germanium (SiGe) alloys with a high Ge concentration are particularly interesting because of the wide transparency window of Ge up to 15 µm.
In this context, the objective of this thesis is to investigate a new Ge-rich graded SiGe platform for mid-IR photonic circuits. Such new plateform was expected to benefit from a wide transparency wavelength range and a high versatility in terms of optical engineering (effective index, dispersion, …).
During this thesis, different waveguides platforms based on different graded profiles have been investigated. First it has been shown that waveguides with low optical losses of less than 3 dB/cm can be obtained in a wide wavelength range, from 5.5 to 8.5 µm. A proof of concept of sensing based on the absorption of the evanescent component of the optical mode has then been demonstrated. Finally, elementary building blocs have been investigated. The first Bragg mirror-based Fabry Perot cavities and racetrack resonators have been demonstrated around 8 µm wavelength. A broadband dual-polarization MIR integrated spatial heterodyne Fourier-Transform spectrometer has also been obtained. All these results rely on material and device design, clean-room fabrication and experimental characterization. This work was done in the Framework of EU project INsPIRE in collaboration with Pr. Giovanni Isella from Politecnico Di Milano.

Membres du jury:

Raffaele COLOMBELLI, DR2, Université Paris-Sud, Directeur de thèse

Yannick DE WILDE, Directeur de Recherche, Institut Langevin, ESPCI Paris, Rapporteur

Olivier GAUTHIER-LAFAYE, Directeur de Recherche, LAAS-CNRS, Rapporteur

Adel BOUSSEKSOU, Maître de Conférences,Université Paris-Sud, Examinateur

Philippe LECOEUR, Professeur, Université Paris-Sud, Examinateur

Maria AMANTI, Maître de Conférences, Université Paris VII Diderot, Examinateur

Thomas MAROUTIAN, Chargé de Recherche, Université Paris-Sud,Invité

Résumé:

Le travail de thèse présenté dans ce manuscrit traite du développement de dispositifs à base de dioxyde de vanadium VO2 et de méta-surfaces dans le moyen infrarouge pour des applications passives et une intégration sur des lasers à cascade quantique (QCL).
Ce travail a permis l'élaboration de nouvelles conditions de dépôt du matériau à changement de phase VO2 par ablation laser pulsé à des températures compatibles avec les hétérostructures de III-V utilisées en optoélectronique. Les caractérisations des couches minces déposées montrent un changement de la réflectivité et de la conductivité électrique entre l'état isolant à basse température et l'état métallique à haute température autour de 68°C (341 K).
Des développements ont ensuite été menés sur l'emploi d'un réseau de méta-surfaces permettant d'obtenir une couche homogène d'indice de réfraction effectif résonnant. Ces méta-surfaces sont constituées de résonateurs à anneau fendu dont la fréquence de résonance peut être ajustée par le choix de leurs paramètres géométriques et des matériaux les constituant. Une modulation optique de plus de 100cm-1 du pic de la résonance a été obtenue lors de la transition de phase avec des méta-surfaces déposées sur un film de VO2. Ce résultat est très prometteur pour la conception de dispositifs monolithiques, robustes, compacts, accordables en fréquence et dont les propriétés optiques ne dépendent que de la température de la couche de VO2.
Enfin, ce travail étudie la fonctionnalisation des QCL dans le moyen infrarouge (7-8 µm) par des couches de VO2 et de méta-surfaces. Il vise à comprendre l’influence des couches intégrées sur les propriétés d’émission. Afin de garantir une bonne interaction entre ces couches et le mode guidé du laser tout en ayant des pertes optiques faibles, des nouveaux guides d'onde ont été modélisés, puis les premiers QCL à base de VO2 ont été démontrés et une température maximale de fonctionnement de 334 K a été mesurée.

Membres du jury:

Raffaele COLOMBELLI, DR2, Université Paris-Sud,Directeur de thèse

Aloyse DEGIRON, Chargé de Recherche, Université Paris Diderot,Rapporteur

Sukhdeep DHILLON, Directeur de Recherche, ENS, Rapporteur

François JULIEN, Directeur de recherche classe exceptionnelle DRCE, C2N, Examinateur

Yannick CHASSAGNEUX, Chargé de Recherche, Laboratoire Pierre Aigrain - ENS, Examinateur

Résumé:

Les dispositifs optoélectroniques sont importants pour nombreuses applications de la vie de tous les jours : ordinateurs, téléphones, les objets connectés en général. La gamme spectrale du THz (0.1-10 THz) reste cependant un domaine industriellement peu exploité en raison de problèmes intrinsèques à la génération et détection des photons THz. De nombreuses applications relèvent pourtant du THz, dans les domaines médicaux par exemple, pour la détection des gaz à l’état de traces, ou bien pour l’imagerie d’objets opaques dans le visible. Cette thèse se focalise sur les photodétecteurs à puits quantiques (QWIPs) et les lasers à cascade quantique (QCLs) fonctionnant dans la gamme du THz dans le but de développer des dispositifs compacts, rapides et sensibles (mais fonctionnant à températures cryogéniques).
Nous avons utilisé des résonateurs à anneau fendu, inspirés des travaux sur les métamatériaux, pour concevoir et développer des détecteurs sub-longueur d’onde accordables en fréquence dans la gamme spectrale du térahertz grâce à une inductance externe.
En ce qui concerne les émetteurs, cette thèse étudie les micro-lasers THz qui utilisent des résonateurs de type microdisques, avec pour but de concevoir et fabriquer des lasers fonctionnant sur le mode électromagnétique fondamental.
Les futures perspectives de ce travail concernent la réalisation d’un laser entièrement sub-longueur d’onde et rapide dans la gamme spectrale du THz.

Jury members :

Philippe LECOEUR, PR1, Université Paris-Sud, Directeur de thèse

Gervasi HERRANZ, Chercheur, Institute of Materials Science of Barcelona ICMAB-CSIC, Rapporteur

André THIAVILLE, Directeur de Recherche, Université Paris-Sud, Examinateur

Dominik LEGUT, Chercheur, VSB Technical University of Ostrava, Rapporteur

Jan FRANC, Professeur, Charles University, Examinateur

Martin VEIS, Chercheur, Charles University, Directeur de thèse

Abstract :

Two important mechanisms in preparation of ultrathin films of magnetic oxides were systematically investigated in this work. First, influence of epitaxial strain on resulting magneto-optical properties of La2/3Sr1/3MnO3 (LSMO) ultrathin films was studied. The investigated films were grown by pulsed laser deposition on four different substrates, providing a broad range of induced epitaxial strains. Magnetic properties were found to deteriorate with increasing value of the epitaxial strain, as expected due to the unit cell distortion increasingly deviating from the bulk and effect of the magnetically inert layer. A combination of spectroscopic ellipsometry and magneto-optical Kerr effect spectroscopy was used to determine spectra of the diagonal and off-diagonal elements of permittivity tensor. The off-diagonal elements confirmed presence of two previously reported electronic transitions in spectra of all films. Moreover, they revealed another electronic transition around 4.3 eV only in spectra of films grown under compressive strain. We proposed classification of this transition as crystal field paramagnetic Mn t2g → eg transition, which was further supported by ab initio calculations. A key role of strain in controlling electronic structure of ultrathin perovskite films was demonstrated. Dynamic application of strain via use of piezoelectric underlayer remained inconclusive, requiring further improvement of the strain transfer from the piezoelectric layer into the LSMO. Second, influence of substrate miscut on magnetization dynamics in SrRuO3 (SRO) was studied. As expected we found that high miscut angle leads to suppression of multi-variant growth. By means of magnetic force microscopy we showed that presence of multiple SRO variants leads to higher density of defects acting as pinning or nucleation sites for the magnetic domains, which consequently results in deterioration of magnetic properties. We demonstrated that use of vicinal substrate with high miscut angle is important for fabrication of high quality SRO ultrathin films with low density of crystallographic defects and excellent magnetic properties.

Mots clés en anglais :  

magneto-optical Kerr effect,pulsed laser deposition,epitaxial strain,permittivity tensor,perovskite oxides

Jury members :

Laurent VIVIEN, DR2, Université Paris-Sud, Directeur de thèse

Frederic GARDES, Associate Professor, Université de Southampton, Rapporteur

Nicolas DUBREUIL, Professeur, Institut d'optique graduate school, Rapporteur

Frederic BOEUF, Ingénieur de Recherche, STMicroelectronics, Examinateur

Jean-Emmanuel BROQUIN, Professeur des Universités, Grenoble INP - IMEP-LAHC, Examinateur

Fowler DAIVID, Cadre scientifique des EPIC, CEA LETI, Examinateur

Eric CASSAN, Professeur, PARIS SUD, Examinateur

Charles BAUDOT, Ingénieur, CIENA, Paris Sud

Abstract :

En s’appuyant sur les procédés de fabrication matures et sur la production à grande échelle de l’industrie CMOS, la technologie photonique silicium est une solution potentielle pour le développement de liens optiques haut débit peu onéreux destinés aux centres de données. Un premier pas a été franchi il y a une dizaine d’année avec la réalisation, à l’échelle industrielle, de transmetteurs/récepteurs avec des débits jusqu’à 100Gb/s. Cependant, tout semble indiquer que des vitesses encore plus élevées, (200 voir 400Gb/s), seront bientôt nécessaires. Malheureusement, les limitations techniques de cette première génération de circuits photoniques suggèrent qu’il sera difficile de réaliser des multiplexeurs (MUX/DEMUX) performants. Ces composants sont à la base des solutions de multiplexage en longueur d’onde (WDM) envisagées pour répondre à cette nouvelle demande de bande passante. Par ailleurs, on assiste depuis quelques années à une diversification des applications de la photonique intégrée qu’il semble également difficile de satisfaire au vu des performances de la technologie actuelle. C’est dans ce contexte que s’inscrit le travail de thèse présenté dans ce manuscrit. La solution étudiée est basée sur l’intégration d’un second circuit optique dont les propriétés sont complémentaires de celles du circuit silicium formant ainsi une plateforme optique performante quelle que soit la fonction à réaliser. Un schéma d’intégration monolithique a été privilégié afin de limiter les couts de production et d’assemblage. Le matériau choisi pour la réalisation de ce second circuit optique est le nitrure de silicium (SiN). Il possède en effet des propriétés parfaitement complémentaires de celles du circuit silicium : contraste d’indice réduit, coefficient thermo optique faible et grande gamme de transparence. C’est également un matériau utilisé depuis de nombreuses années dans l’industrie CMOS. Le premier objectif de ce travail de thèse a donc consisté à développer le schéma d’intégration de ce second circuit optique au sein de la technologie photonique PIC50G de STMicroelectronics. Une fois les différentes étapes du flot de fabrication validées, le développement de composants a pu débuter. Tout d’abord les guides d’onde, proposant des pertes de propagation inférieures à 0,2dB/cm à 1300nm, mais également divers composants élémentaires : transitions entre les différentes géométries de guides, coupleur fibre/puce, terminaison de guide d’onde, filtre de signaux parasites et coupleurs/séparateurs de puissance. Une caractérisation statistique de la transition optique entre les circuits Si et SiN a révélé des pertes d’insertion inférieures à 0,3dB entre 1270nm et 1330nm, validant la stabilité de ce composant particulièrement critique.

Une attention particulière a été portée à la gestion de la polarisation dans les guides d’onde via le développement de séparateurs et de rotateurs de polarisation dont les performances sont à l’état de l’art des composants silicium.
Une étude complète sur les MUX/DEMUX en SiN a également été réalisée. Des réseaux de guides d’onde ont notamment montré de bonnes performances : dérive en température < 12pm/°C, faible sensibilité à la polarisation, pertes d’insertion <1dB, diaphonie < -30dB, fonctionnement jusqu’à 12 canaux, bande passante à -1dB >11nm. Pour terminer, un émetteur/récepteur WDM quatre canaux a été conçu pour démontrer l’intérêt de cette plateforme hybride Si/SiN, il est actuellement en attente de caractérisation.
Enfin, une étude des propriétés optiques non linéaires du SiN a permis de démontrer la génération de troisième harmonique de l’UV jusqu’au visible ainsi que la génération d’un supercontinuum s’étendant de 425nm à 1660nm, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles applications.

Mots clés en français :

Photonique,Nitrure de Silicium,Procédés CMOS,Datacom

Jury members

Thibaut DEVOLDER, DR2, Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, Université Paris-Sud, Université Paris-Saclay, Directeur de thèse

Ursula EBELS, Ingénieur, Laboratoire Spintronique et Technologie des Composants (SPINTEC) CEA, Rapporteur

Mohamed BELMEGUENAI, Maître de Conférences, Laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux Univ. Paris 13, Rapporteur

Arnaud BOURNEL, Professeur, Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, Université Paris-Sud, Université Paris-Saclay,, Examinateur

Felipe GARCIA-SANCHEZ, Chargé de Recherche, Universidad de Salamanca, Examinateur

Damien RONTANI, Maître de Conférences, centrale supélec, Examinateur

Joo- Von KIM, Chargé de Recherche, Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, Université Paris-Sud, Université Paris-Saclay, Invité

Abstract :

Une boucle de rétroaction à retard a lieu lorsque la sortie d’un système est utilisée pour modifier le signal d’entrée de ce dernier. Ce phénomène apparait dans des domaines aussi variés que la physique avec les amplificateurs, la biologie avec la régulation de l’insuline ou encore les sciences sociales. Les effets d’une boucle de rétroaction à retard sur un système électronique sont bien connu et ont donné lieu à de nombreuses applications : boucle à verrouillage de phase pour améliorer les propriétés stochastiques, boucle d’amplification ou de régulation, etc. Cependant ces effets ont étés relativement peu étudiés dans le cadre des systèmes nano magnétiques.
Dans cette thèse nous avons appliqué une boucle de rétroaction à retard sur différents systèmes nano magnétiques avec un objectif distinct pour chaque système.
La première partie se consacre à un oscillateur à transfert de spin dont nous avons étudié les propriétés stochastiques et l’impact d’une boucle de rétroaction sur ces dernières. Cela nous a permis de réduire la largeur spectrale de l’oscillateur et met en évidence l’apparition de fréquences secondaires à larges retards. Dans la partie suivante nous étudions plus généralement l’impact de la rétroaction sur la dynamique d’un oscillateur à transfert de spin en l’absence de température et avec l’approximation que l’oscillateur présente une aimantation uniforme dans se couche libre. La rétroaction induit une dynamique complexe ainsi que du chaos qui peut être utilisé pour générer des nombres aléatoires. Finalement la dernière partie propose une architecture pour un oscillateur basé sur la déformation d’une paroi de domaine piégée dans un ruban magnétique où le courant injecté dans le ruban dépend de la déformation de la paroi au travers d’une boucle de rétroaction.
Nous utilisons ensuite cet oscillateur comme réservoir dans un système neuromorphique appelé « Reservoir Computing » qui cherche à émuler le fonctionnement du cerveau humain pour réaliser des tâches gourmandes en ressources pour un ordinateur classique comme la prédiction de série temporelle ou la reconnaissance de nombre prononcés.

Mots clés en français :nanomagnétisme,dynamique non linéaire,réseaux de neurones artificiels,boucle de rétroaction

Membres du jury:

Guillaume Cassabois, Université de Montpellier, Laboratoire Charles Coulomb, Rapporteur
Thierry Lahaye, Institut d'Optique, Laboratoire Charles Fabry, Rapporteur
Maria Chamarro, Sorbonne Université, Institut des NanoSciences de Paris, Examinatrice
Eleni Diamanti, Sorbonne Université,  Laboratoire d'Informatique de Paris 6, Examinatrice
Sara Ducci, Université Paris-Diderot, Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques, Examinatrice
Patrice Bertet, CEA-Saclay, Iramis, Invité
Loïc Lanco, Université Paris-Diderot, Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, Directeur de thèse.

Abstract:

Comment faire interagir optimalement un seul spin avec un seul photon? Cette question est cruciale pour la réalisation de réseau de communications quantiques, où des spins uniques peuvent être utilisés comme qubits stationnaires, interconnectés via des photons uniques jouant le rôle de qubits messagers. En utilisant des cavités optiques micro-pilier, on peut augmenter grandement l'interaction entre le spin d'une charge confinée dans une boîte quantique et la polarisation d'un photon réfléchi par la micro-cavité. Dans cette thèse, j'ai notamment réalisé de telles interfaces spin-photon de façon déterministe, et j'ai montré la forte interaction entre un spin et un photon grâce à l'action en retour macroscopique induite sur l'état de spin par la détection d'un seul photon.

L'accès au CEA NanoInnov étant  contrôlé, afin d'assister à la soutenance, il faut s'inscrire sur le lien suivant:

https://framaforms.org/liste-des-invites-pour-la-soutenance-these-de-paul-1557821533

ATTENTION, si vous n'avez pas la nationalité d'un pays membre de l'Union Européenne, il faut aussi m'envoyer un scan de votre carte d'identité  afin de pouvoir acceder au campus (paul.hilaire@u-psud.fr).

Jury members :

Michael CANVA, DR1, Institut d'optique Graduate School, Directeur de thèse

Marie FRéNEA-ROBIN, Maître de Conférences, Université Claude Bernand Lyon 1, Rapporteur

Jean-François MASSON, Professeur, Université de Montréal,Rapporteur

Paul CHARETTE, Professeur, Université de Sherbrooke, Directeur de thèse

Michel GRANDBOIS, Professeur, Université de Sherbrooke, CoDirecteur de thèse

Stéphane COLLIN, Chargé de Recherche, Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, CoDirecteur de thèse

Philippe GOGOL, Enseignant-Chercheur,Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, Examinateur

Serge CHARLEBOIS, Professeur, Université de Sherbrooke, Examinateur

Abstract :In pharmacological research, living cells are widely used as the sensing medium for biological studies, such as cell apoptosis and cellular reorganization. Different characterization systems are developed to analyze and quantify biological information. Surface plasmon resonance (SPR) imaging is sensitive to minute refractive index variations occurring in a medium at the proximity of a metal layer. It has found many applications in pharmacological research since it allows the real-time image acquisition and does not require biological labeling like for fluorescence. However, the propagative nature of surface plasmons (PSPs) limits the spatial resolution by spreading the information in the direction of propagation of the PSPs. This means that it is difficult to spatially resolve details smaller than the attenuation length of the PSPs, generally of the order of tens of micrometers. Several research groups have worked on this limitation in order to improve the spatial resolution in SPR imaging. However, although spatial resolutions lower than that of the propagation have been obtained, those techniques require compromises, such as loss in temporal resolution or in refractive index. In this thesis project, plasmonic devices were designed and characterized in order to improve spatial resolution in SPR imaging, while minimizing compromises with other imaging parameters. These SPR chips are composed of nanostructured metal surfaces where the guided mode combines the properties of propagative plasmons and localized plasmons. An in-house numerical modeling software has demonstrated how the geometry of nanostructured surfaces can be optimized to reduce the attenuation length of the plasmonic mode, while maintaining a high imaging contrast. An optimum geometry was identified, and micron-sized structures have been observed using the optimized nanostructured SPR chips. Experimental results showed a reduction in propagation by a factor of 6.3 compared to uniform metal surfaces. The imaging performances of nanostructured SPR chips were assessed by studying cellular responses following pharmacological stimulation. The chips were used in real-time monitoring of integrity changes in confluent endothelial cell layer following stimulation. Quantification of intercellular gaps in the monolayers showed a significant increase in the number of small holes detected (~ 1μm2) when using nanostructured SPR chips. This increase in sensitivity to cellular activity is the result of improved spatial resolution. Finally, the study of morphology in highly linear cytoskeleton cell enabled the observation of subcellular structures and the monitoring of cytoskeleton reorganization in individual cells. The nanostructured SPR chips designed and realized during this thesis show a strong potential label-free live cell imaging.

Mots clés en anglais :  

Biophotonics,Label-free biodetection applications,Live cell imaging,Surface plasmon resonance,Surface nanostructuring,Spatial resolution

Jury composé de :
Dafiné RAVELOSONA, Directeur de Recherche,Université Paris-Sud, Directeur de thèse

Gilles GAUDIN, Directeur de Recherche,Spintec, Rapporteur

Jianhua ZHAO, Professeur, Institut des semiconducteurs, Académie chinoise des sciences, Rapporteur

Weisheng ZHAO, Professeur,Université Beihang,Directeur de thèse

Stéphane MANGIN, Professeur, Université de Lorraine, CoDirecteur de thèse

Nicolas VERNIER, Maître de Conférences, Université Paris-Sud, Examinateur

Zheng ZHENG, Professeur, Université Beihang, Examinateur

Since the first observation of ultrafast demagnetization in Ni films arising from a pulsed laser excitation, there has been a strong interest in understanding the interaction between ultrashort laser pulses and magnetization. These studies have led to the discovery of all-optical switching (AOS) of magnetization in a ferrimagnetic film alloy of GdFeCo using femtosecond laser pulses. All-optical switching enables an energy-efficient magnetization reversal of the magnetic material with no external magnetic field, where the direction of the resulting magnetization is given by the right or left circular polarization of the light.
The manipulation of magnetization through laser beam has long been restricted to one material, though it turned out to be a more general phenomenon for a variety of ferromagnetic materials, including alloys, multilayers and heterostructures, as well as rare earth free synthetic ferrimagnetic heterostructures. Recently, we have observed the same phenomenon in single ferromagnetic films, thus paving the way for an integration of all-optical writing in spintronic devices.
Moreover, in similar materials, like [Co/Pt] or [Co/Ni] with high spin polarization and tunable perpendicular magnetic anisotropy (PMA), efficient current-induced domain wall (DW) motion can be observed in magnetic wires, where spin-orbit torque (SOT) or spin transfer torque (STT) provides a powerful means of manipulating domain walls, which is of great interest for several spintronic applications, such as high-density racetrack memory and magnetic domain wall logic. However, the current density required for domain wall motion is still too high to realize low power devices.
This is within this very innovative context that my Ph.D. research has focused on domain wall manipulation in magnetic wires made out of thin film with strong perpendicular magnetic anisotropy combining both spin-polarized current and all-optical switching. Different material structures have been explored, in order to investigate the combined effects of helicity-dependent optical effect and spin-orbit torque or spin transfer torque on domain wall motion in magnetic wires based on these structures. We show that domain wall can remain pinned under one laser circular helicity while depinned by the opposite circular helicity, and the threshold current density can be greatly reduced by using femtosecond laser pulses. Our findings provide novel insights towards the development of low power spintronic-photonic devices.

Mots clés en français :parois de domaines,courant polarisé,laser femtoseconde,mémoire racetrack,spintronique,fils multicouches magnétiquesMots clés en anglais :  domain wall,spin-polarized current,femtosecond laser,racetrack memory,spintronics,magnetic multilayered wires

Composition du jury:

M. Laurent VIVIEN, C2N (CNRS / Université Paris-Sud), Directeur de thèse
M. Yannick DUMEIGE, Université Rennes 1, Rapporteur
M. Olivier GAUTHIER-LAFAYE, LAAS-CNRS, Rapporteur
Mme Arianna FILORAMO, CEA Saclay, Université Paris-Saclay, Examinateur
Mme María Pilar BERNAL ARTAJONA, CNRS, FEMTO-ST, Examinateur
M. Jean Sébastien LAURET, Laboratoire Aimé Cotton (CNRS), Examinateur
M. Carlos ALONSO RAMOS, C2N (CNRS / Université Paris-Sud), Invité
M. Xavier LE ROUX, C2N (CNRS / Université Paris-Sud), Invité

Abstract:

Silicon photonics is widely recognized as an enabling technology for next generation optical interconnects. Nevertheless, silicon photonics has to address some important challenges. Si cannot provide efficient light emission or detection in telecommunication wavelength range (1.3μm-1.5μm). Thus sources and detectors are implemented with Ge and III-V compounds. This multi-material approach complicates device fabrication, offsetting the low-cost of Si photonics. Nanomaterials are a promising alternative route for the implementation of faster, cheaper, and smaller transceivers for datacom applications.

This thesis is dedicated to the development of active silicon photonics devices based on single wall carbon nanotubes (SWCNTs). The main goal is to implement the basic building blocks that will pave the route towards a new Si photonics technology where all active devices are implemented with the same technological process based on a low-cost carbon-based material, i.e. SWCNT.

Indeed, carbon nanotubes are an interesting solution for nanoelectronics, where they provide high-performance transistors. Semiconducting SWCNT exhibit a direct bandgap that can be tuned all along the near infrared wavelength range just by choosing the right tube diameter. s-SWCNTs provide room-temperature photo- and electro- luminescence and have been demonstrated to yield intrinsic gain, making them an appealing material for the implementation of sources. SWCNTs also present various absorption bands, allowing the realization of photodetectors.

The first objective of this thesis was the optimization of the purity of s-SWCNT solutions. A polymer-sorting technique has been developed and optimized, yielding high-purity s-SWCNT solutions. Based on this technique, several solutions have been obtained yielding emission between 1µm and 1.6µm wavelengths.

The second objective was the demonstration of efficient interaction of s-SWCNT with silicon photonics structures. Different geometries have been theoretically and experimentally studied, aiming at maximizing the interaction of s-SWCNT with optical modes, exploiting the electric field component transversal to light propagation. An alternative approach to maximize the interaction of s-SWCNT and the longitudinal electric field component of waveguide modes was proposed. Both, a power emission threshold and a linewidth narrowing were observed in several micro disk resonators. These results are a very promising first step to go towards the demonstration of an integrated laser based on CNTs.

The third objective was to study optoelectronic SWCNT devices. More specifically, on-chip light emitting diode (LED) and photodetector have been developed, allowing the demonstration of the first optoelectronic link based on s-SWCNT. s-SWCNT-based LED and photodetector were integrated onto a silicon nitride waveguide connecting them and forming an optical link. First photodetectors exhibited a responsivity of 0.1 mA/W, while the complete link yielded photocurrents of 1 nA/V.

The last objective of the thesis was to explore the nonlinear properties of s-SWCNT integrated on silicon nitride waveguides. Here, it has been experimentally shown, for the first time, that by choosing the proper s-SWCNT chirality, the sign of the nonlinear Kerr coefficient of hybrid waveguide can be positive or negative. This unique tuning capability opens a new degree of freedom to control nonlinear effects on chip, enabling to compensate or enhancing nonlinear effects for different applications.