Manuscrit - Institut d`Electronique Fondamentale - Université Paris-Sud

N° D’ORDRE
THÈSE DE DOCTORAT
SPECIALITE : PHYSIQUE
Ecole Doctorale « Sciences et Technologies de l’Information des
Télécommunications et des Systèmes »
Présentée par :Liubov MAGDENKO
Sujet :CONCEPTION ET REALISATION DE COMPOSANTS NON-RECIPROQUES
PLANAIRES A BASE DE MATERIAUX MAGNETO-OPTIQUES
Présentée et soutenue publiquement le 21 décembre 2010 devant le jury :
GREFFET Jean-Jacques Professeur Président
IOGS, Université Paris-Sud
ENOCH Stephan Directeur de recherche CNRS Rapporteur
Institut Fresnel, Université de Marseille
VAN THOURHOUT Dries Professeur Rapporteur
IMEC, Université de Gand
BEN YOUSSEF Jamal Ingénieur de recherche CNRS Examinateur
LMB, Université de Brest
DUAN Guang-Hua Ingénieur de recherche Examinateur
Alcatel Thales III-V Lab
KELLER Niels Directeur de recherche CNRS, Examinateur
GEMaC, Université de Saint-Quentin-en-Yvelines
DAGENS Béatrice Directeur de recherche CNRS Directrice de thèse
IEF, Université Paris-Sud
VANWOLLEGHEM Mathias Chargé de recherche CNRS Co-encadrant
IEF, Université Paris-Sud

Table des Matières
Introduction générale………………………………………………………………………...1
Chapitre 1 : Etat de l’art………………..…………………………………………………….7
Introduction…………………………………………………………………………………..8
1.1 Composants à base de matériaux magnéto-optiques à pertes…………………….......9
1.1.1 Rotateur Faraday dans la structure à couche métallique MO…………………..9
1.1.2 Application de l’Effet Kerr Magnéto-optique transverse……………………..11
1.2 Composants à base de matériaux magnéto-optiques sans pertes……………………17
1.2.1 Différentes tentatives d’intégration du rotateur Faraday……………………...18
1.2.2 Effet Kerr magnéto-optique transverse dans les oxydes MO…………………24
1.2.2.1 Interféromètres de Mach-Zehnder non-réciproques………………………...25
1.2.2.2 Interféromètres multimodaux non-réciproques (MMI)……………………..29
1.2.2.3 Coupleurs non-réciproques………………………………………………….32
1.2.2.4 Composants non-réciproques à base de cristaux photoniques……………...34
1.2.3 Isolateur à base d’effets MO incluant une couche non linéaire……………….38
1.3 Isolateur à base d’effets magnéto-plasmoniques…………………………………….39
1.4 Effet d’isolation dans les systèmes non magnétiques….…………………………….41
Conclusion du chapitre 1…………………………………………………………………...44
Bibliographie………………………………………………………………………………..48
Chapitre 2 : Théorie et méthodologie de conception des composants
non-réciproques……………………………….……..…………………………57
Introduction………………………………………………………………………………...58
2.1 Théorie des effets magnéto-optiques (MO)………………………………………..58
2.1.1 Définition de la non-réciprocité………………………….……………………….58
2.1.2 Deux principales géométries des effets MO……………………………………..59
2.1.2.1 La géométrie de Faraday et la rotation de polarisation………………………59
2.1.2.2 La géométrie Voigt et l’effet Kerr MO………………………………………60

2.1.2.3 Choix du principe de l’isolateur intégré étudié……………..………………62
2.1.3 Expressions de base de l’électromagnétisme d’un milieu MO…..…………….63
2.1.3.1 Propagation dans un milieu aimanté………………………………………..64
2.1.3.2 L’effet Kerr MO transverse : la réflexion sur un milieu MO………...…….65
2.1.4 L’effet MO Kerr transverse appliqué à l’optique guidée……...………………67
2.1.4.1 Guide d’onde 3 couches : approche de type « optique géométrique »…….67
2.1.4.2 Approche par la théorie de perturbation. …………………………………..69
2.1.4.2.1 Guide d’onde plan……………………………………………………..70
2.1.4.2.2 Structure à symétrie circulaire…………………………………………71
2.1.4.3 Configurations possibles de dispositifs non-réciproques……….………….74
2.1.5 Conclusion………………………………………...……………………………77
2.2 Outils et méthodologie de conception……...…………………………………….…...78
2.2.1 Outils et méthodologie de simulations du circulateur à base de cavité en anneaux
concentriques………………………………………………………...78
2.2.1.1 La cavité 2D………………..………………………………………………79
2.2.1.1.1 Critères d’évaluation de la cavité MO…...…………….………………79
2.2.1.1.2 Méthodologie de conception de la cavité 2D….………………………80
2.2.1.2 La conception du circulateur……………………………………………….84
2.2.1.3 Cavité 3D…………………………………………………………………..87
2.2.1.4 Conclusion….……………………………………………………………....88
2.2.2 Outils et méthodologie de simulations d’isolateur à base de guide d’onde
semiconducteur avec réseau en métal ferromagnétique.……...……...………89
2.2.2.1 Outils de conception………….…………………………………………….89
2.2.2.1.1 CAMFR MO 2D……………………………………………………….90
2.2.2.1.2 COMSOL 3D…………………………………………………………..91
2.2.2.2 Méthodologie de conception....…………………………………………….92
2.2.2.3 Conclusion……………………………………………………………….....95

Conclusion du chapitre 2..…………………………………………………………………96
Bibliographie………………………………………………………………………………98
Chapitre 3: Conception des composants magnéto-optiques non-réciproques……………...99
Introduction…………………..……………………………………………………………..100
3.1 Conception du circulateur intégré à base de grenat de fer et de bismuth (BIG)……..100
3.1.1 Etude de la cavité 2D…………………………………………………………….102
3.1.1.1 Influence des paramètres géométriques de la cavité sur les performances……102
3.1.1.1.1 Indices effectifs de la structure multicouche AIR, GGG et BIG………...102
3.1.1.1.2 Influence du contraste d’indice sur la géométrie des anneaux……....…...103
3.1.1.1.3 Influence du nombre d’anneaux de la cavité sur les facteurs de «splitting»
et de qualité………………………………………………………………104
3.1.1.1.4 Influence de l’ordre des modes de la cavité m sur la géométrie 2D et
le facteur de « splitting »………………………………………………...105
3.1.1.1.5 Influence du contraste d’indices effectifs sur le facteur de qualité Q……106
3.1.1.2 Proposition et choix de la structure de cavité………………………………...107
3.1.1.2.1 Cas du fort contraste d’indices………………………………………….107
3.1.1.2.2 Cas du faible contraste d’indices………………………………………..107
3.1.2 Conception 2D du circulateur à base de cavité circulaire………………………..111
3.1.2.1 Circulateur à fort contraste d’indices………………………………………...112
3.1.2.1.1 Fonctionnement du circulateur………………………………………….113
3.1.2.1.2 Optimisation du couplage guide-anneau………………………………..120
3.1.2.2 Circulateur à faible contraste d’indices……………………………………...117
3.1.2.3 Conclusion……………………………………………….……………...…...121
3.1.2.4 Variante : circulateur avec trois guides d’accès positionnés à 60°……...…..121
3.1.3 Etude de la cavité 3D……………………………………………………………124
3.1.3.1 Influence de la symétrie du guide vertical…………………………………..124
3.1.3.2 Cavité 3D à faible contraste des indices effectifs de la structure verticale….126

3.1.3.3 Cavité verticalement symétrique (Nv=1)……………………………………127
3.1.4 Impact de la fabrication du composant sur son fonctionnement………………...128
3.1.5 Conclusion……………………………………………………………………….129
3.2 Conception de l’isolateur à base de guide d’onde en multicouche semiconductrice et de
réseau ferromagnétique en alliage de FeCo…………………………………………130
3.2.1 Optimisation de la structure……………………………………………………..131
3.2.2 Conclusion………………………………………………………………………139
Conclusion du chapitre 3………...………………………………………………………...140
Bibliographie………………………………………………………………………………142
Chapitre 4: Nano-fabrication des composants magnéto-optiques……………………..….143
Introduction………………………………………………………………………………144
4.1 Fabrication de composants photoniques en grenat de fer et de bismuth (BIG)……...145
4.1.1 Propriétés physiques et MO du film de grenat de fer et de bismuth (BIG)……...147
4.1.2 Structuration du film de BIG: exploration des méthodes………………………..150
4.1.3 Nano-structuration du BIG par gravure ICP-RIE…………………………..…...158
4.1.3.1 Mise au point de la gravure ICP-RIE du BIG………………………………158
4.1.3.2 Fabrication de composants photoniques en BIG par ICP-RIE……………...159
4.1.3.3 Résolution des motifs transférés…………………………………………….161
4.1.3.4 Motifs en grenat « enterrés » dans la silice et le nitrure…………………….163
4.1.4 Spectrométrie X de la surface de l’échantillon après le procédé technologique...164
4.1.5 Clivage de l’échantillon du BIG/GGG………………………………………….166
4.1.6 Conclusion……………………………………………………………………….168
4.2 Fabrication d’un réseau en alliage ferromagnétique de FeCo pour les applications
d’isolation optique dans les semiconducteurs III-V……………………………..…..169
4.2.1 Propriétés MO de l’alliage de FeCo……………………………………………..170
4.2.2 Structuration de la couche de FeCo par lift-off…………………………………171
4.2.2.1 Procédé de lift-off avec la bicouche HSQ/PMMA…………………………172