microstructurées. Le résultat attendu est l’augmentation du facteur de mérite du rotateur Faraday intégré de 2°/dB pour
atteindre si possible 45°/dB.
Ce résultat passe par :
Le développement d’un nouveau matériau nanocomposite à propriétés magnéto-optiques performantes basé sur un sol-
gel dopé en nanoparticules magnétiques (NPM) (Fig.2) et de leur incorporation dans des matrices hôtes
photostructurables tout en assurant la stabilité des NPM et en empêchant toute forme d’agglomération pour rester dans
un régime de dispersion aléatoire de nanoparticules individuelles
La structuration à l'échelle sub-micrométrique du sol-gel dopé par des moyens simples d'écriture laser directe ne
nécessitant pas de post traitement thermique.
L’optimisation du matériau et du design du composant par rapport à ses propriétés optiques afin de réaliser in fine des
dispositifs magnéto-optique intégrés hautement attendus et à forte valeur ajoutée. L’objectif final du projet est de
réaliser un prototype d’isolateur intégré présentant des performances meilleures que celles publiées jusqu’à aujourd’hui
et pouvant rivaliser avec les isolateurs d’espace libre.
Au final, cette thèse sera pour le candidat l’opportunité d’acquérir un solide background en physico-chimie, photochimie,
matériaux magnéto-optique et des compétences en spectroscopie FTIR, ellipsométrie, microscopie (AFM-MEB), instrumentation
et caractérisation magnéto-optique Kerr-Faraday.
Ce projet pluridisciplinaire, à la pointe de la recherche, basé sur une forte collaboration avec le LaHC et d’autres laboratoires
favorisera grandement l’intégration du futur docteur dans le monde industriel et/ou académique.
[1] J. Castera, G. Hepner, “Isolator in integrated optics using the Faraday and Cotton-mouton effects” IEEE Trans. Magn. 13(1977) 1583-1585
[2] L. Bi, J. Hu, P. Jiang, D.H. Kim, G.F. Dionne, L.C. Kimmerling, C.A. Ross, “On-chip optical isolation in monolithically integrated non-reciprocal optical resonators”, Nature
Photonics 5 (2011) 758-762. - T. Mizumoto, R. Takei, Y. Shoji, “Waveguide Optical Isolators for Integrated Optics”, IEEE Journal of Quantum Electronics, 48 (2012) 252-260. –
Y. Shoji, T. Mizumoto, H. Yokoi, I.W. Hsieh, R.M. Osgood, “Magneto-optical isolator with silicon waveguides fabricated by direct bonding” Appl. Phys. Lett., 92 (2008) 071117
[3] H. Amata, F. Royer, F. Choueikani, D. Jamon, F. Parsy, J.E. Broquin, S. Neveu, J.J. Rousseau, “Hybrid magneto-optical mode converter made with a magnetic nanoparticles-
doped SiO2/ZrO2 layer coated on an ion-exchanged glass waveguide”, Applied Physics Letters 99 (2011)251108.
[4] J.-P. Garayt, F. Parsy, D. Jamon, S. Neveu, F. Royer, E. Ghibaudo, J.-E. Broquin, “Efficient magneto-optical mode converter on glass”. SPIE Procceedings, Belligham, WA.
8988 (2014) 89880F
[5] S. Kahl, A.M. Grishin, “Enhanced Faraday rotation in all-garnet magneto-optical photonic crystal”, Applied Physics Letters, 84 (2004) 1438.
[6] F. Stehlin, F. Wieder, A. Spangenberg, J.-M. Le Meins, O. Soppera, “Room-temperature preparation of metal-oxide nanostructures by DUV lithography from metal-oxo
clusters”. Journal of Materials Chemistry C 2014, 2, 277-285 - H.-C. Lin, F. Stehlin, O. Soppera, H.-W. Zan, C.-H. Li, F. Wieder, A. Ponche, D. Berling, B.O. Yeh, and K.-H
Wang, “Deep ultraviolet laser direct write for patterning sol-gel InGaZnO semiconducting micro/nanowires and improving field-effect mobility" soumis à Scientific Reports
PROGRAMME DE RECHERCHE POUR LES 3 ANNEES
Le synoptique ci-contre résume l’organisation globale du projet sur les 3 années et sera divisé en 6 étapes.
Etape 1 : Simulation/modélisation des phénomènes de résonnance magnéto-
optique (LaHC Saint-Etienne). (en // avec les étapes 2 à 4)
M1-M6: résultats de simulations et identification de structures,
M6-M12: cahier des charges de la/des structure(s) à réaliser,
M12-M24: affinement des simulations de structures résonnantes en utilisant les
paramètres optique déterminés sur les matériaux élaborés aux étapes 2 à 4
Etape 2 : Formulation du matériau nanocomposite photoréticulable.
M1-M12 : premiers matériaux à M24 matériaux optimisés.
Etape 3 : Caractérisations du matériau en couche mince non structurée.
M1-M12 : premiers matériaux, M24 : matériaux optimisés.
Les études menées permettront de caractériser le matériau (couche mince) en terme d’activité magnétique, d’indice optique et
de transmission/absorbance sur une gamme de longueurs d’onde de 400 à 1600 nm, d’épaisseurs maximale et minimale
pouvant être atteintes, caractérisation de la rugosité des couches.
Etape 4 : Microstructuration par projection de masque et lithographie interférométrique. M6-M18 : premiers matériaux par
procédé de lithographie et leur caractérisation, M30 : matériau optimisé et formes des structures optimisées.
Cette étape a pour but d'optimiser (dose, puissance, développement, …) la microstructuration préparés par spin-coating sur
verre et d'identifier ses limites en termes d'indice optique et de dimensions critiques.
Etape 5 : Réalisation et caractérisation d’un premier dispositif (rotateur magnéto-optique intégré à 45°) sur substrat de verre
dans lequel auront été réalisés des guides d’ondes par échange fourni par l’IMEP-LAHC1 : M18-M24.
Etape 6 : Vers l’isolateur (IS2M, LaHC et IMEP-LAHC). M24-M36 : Réalisation du rotateur magnéto-optique intégré en
configuration espace libre et en configuration intégrée au sein d’une même puce optique puisque l’ensemble des procédés
technologiques sont compatibles, mesure de l’isolation et des pertes d’insertion. Valorisation du dispositif.
SITUATION DU SUJET DANS LE CONTEXTE NATIONAL ET INTERNATIONAL
Les travaux consacrés à l’isolateur optique intégré sont aujourd’hui le fruit d’équipes internationales, surtout au Japon [MIZ12]
[SHO08] et aux Etats-Unis [BI11]. En France et en dehors du LaHC Saint-Etienne, spécialisé dans la modélisation et la réalisation
de structures diffractives ainsi que dans la mise en œuvre de dispositifs magnéto-optiques composites et leur caractérisation,
seul l’IEF à Paris Sud travaille sur des applications magnéto-optiques en technologie silicium.
- PHENIX UMR 8234 : Laboratoire Physicochimie des Electrolytes et Nanosystèmes Interfaciaux de l’Université Pierre et Marie Curie (Paris 6)
- IMEP-LAHC UMR 5130 : Institut de Microélectronique Electromagnétisme et Photonique et le Laboratoire d'Hyperfréquences et de Caractérisation de Grenoble