Full article - Institut Fresnel

Sommaire
Le silicium nanoporeux : microstructuration
di ´electrique et application a ux structures pho-
toniques ava nc ´ees
P. Ferrand
1 Introduction 3
2 Optique dans les m ilieux mat ´eriels 7
1. Milieu homog` ene 7
2. G´ en´ eralisation ` a des structures multicouches 9
3. Propagation guid´ ee 9
4. Bande interdite photonique 12
3 Pr ´esentation du silicium poreux 15
1. Formation 15
2. Propri´et´es 17
3. M´ ethodes de structuration 22
4 M ´ethodes exp ´er i m en tal es 27
1. ´ Elaboration des ´ echantillons 27
Ann. Phys. Fr. 27 •No2•2002

vi Sommaire
2. Caract´ erisations optiques par la surface 31
3. Caract´ erisations optiques en g´ eom´ etrie guid´ ee 34
5
´Em i ssi o n d e str u ctu r es p l an ai r es 43
1. Calculs d’´ emission spontan´ ee 43
2. ´ Emission dans une couche simple 48
3. Influence de la structure optique :
exemple d’une microcavit´ e51
6 Structures guidantes 57
1. Diff´ erents types de pertes 57
2. Calcul des pertes 60
3. ´ Etude d’un guide ` a saut d’indice 68
4. ´ Etude d’un guide ` a bande interdite photonique 76
7 Contr ˆole de l a propagation guid ´ee 87
1. Principe 87
2. M´ ethode des modes coupl´ es 89
3. Description de l’´echantillon 92
4. Mesures de transmission 94
5. Discussion 97
8 Conclusi on 109
A n n exe s 113
R ´ef ´er en ces 117
Ann. Phys. Fr. 27 •No2•2002

Le silicium nanoporeux : microstructuration
di´ electrique et application aux structures
photoniques avanc´ ees
P. Ferrand1
R´ esum´ e
Ce travail est consacr´e`alar´ealisation et `al’´etude de microstructures photoniques
`a base de silicium nanoporeux.
Nous commen¸cons notre ´etude par des structures planaires de type microca-
vit´e, dont nous caract´erisons l’influence sur la photoluminescence du mat´eriau,
en termes de redistribution spectrale et angulaire. Il apparaˆıt tr`es vite la n´ecessit´e
de contrˆoler la propagation de la lumi`eredansleplandelastructure.
Aussi, nous cherchons d’abord `a favoriser la propagation lat´erale au moyen
d’une structuration verticale de l’indice, et nous ´etudions le guidage au moyen de
deux types de structures, exploitant soit `a un guidage conventionnel par r´eflexion
totale interne, soit `aunguidageparr´eflexion de Bragg. ` A cette occasion nous
proposons une m´ethode num´erique, bas´ee sur le formalisme des matrices de
transfert, permettant de calculer l’att´enuation de la puissance transport´ee dans le
plan.
Par la suite, nous mettons `aprofitleproc´ed´e holographique de structuration
d’indice d´emontr´e par des travaux ant´erieurs et ´etudions son influence sur la
lumi`ere guid´ee. La transmission, mesur´ee en lumi`ere blanche sur un guide mul-
timode r´ev`ele de multiples bandes interdites que nous interpr´etons en termes
de couplages diagonaux et non diagonaux. La confrontation des mesures avec
une mod´elisation par la m´ethode des modes coupl´es nous permet d’´etablir une
carted’indicedenotrestructure.Ilapparaˆıt une bir´efringence marqu´ee dans les
r´egions insol´ees par le proc´ed´e holographique, caract´eris´ees par une diminution
deux fois plus importante de l’indice extraordinaire (∆n=−0,4) que de l’indice
ordinaire (∆n=−0,22). Avec une p´eriode de 450 nm, ces valeurs de contraste sont
encourageantes, bien que la modulation d’indice ne soit pr´esente que sur une
profondeur effective de l’ordre de 0,5 µm.
1. Laboratoire de Spectrom´etrie Physique, Universit´e J. Fourier Grenoble 1, CNRS UMR 5588, B.P. 87,
38402 Saint-Martin d’H`eres, France.
Adresse actuelle : Institute of Materials Science and Department of Electrical and Information
Engineering, University of Wuppertal, Gauss-Str. 20, 42097 Wuppertal, Germany.
Ann. Phys. Fr. 27 •No2•2002
c
EDP Sciences

2 Le silicium nanoporeux
Abstract
Nanoporous silicon: dielectric microstructuring
and application to advanced photonic structures
The aim of this work is to elaborate and study photonic bandgap microstructures
using nanoporous silicon.
Planar microstructures like microcavities are first considered, and their influ-
ence on both angular and spectral distributions of photoluminescence are inves-
tigated. The primary conclusion derived from these studies is that it is essential
to control the propagation of light in the plane, too.
Thus, the lateral propagation of light, enhanced by a vertical structuring of
the optical index (step-index waveguide as well as Bragg reflection waveguide) is
studied. Furthermore, a numerical model based on the standard transfer-matrix
method is suggested to calculate guiding losses.
Finally, a holographic process is utilized to obtain a lateral structuring of the
optical index, thereby allowing the investigation of its effects on the guided light.
The transmittance, measured on a multimode waveguide using white light, shows
several stopbands, which are attributed to diagonal and off-diagonal couplings.
The comparison of these measurements to the coupled-mode theory allows a
map of the optical index to be plotted. A strong birefringence in regions that
were illuminated during the holographic process was illustrated. This suggests
a stronger decrease of the extraordinary index (∆n=−0.4) than the ordinary
index (∆n=−0.22). With a period of 450 nm, these values of index contrast are
promising, even if the effective depth on which the index is modulated is only
0.5 µm.
Ann. Phys. Fr. 27 •No2•2002