Conception et études optiques de composants micro

Année 2001
N
° d’ordre 01 ISAL 0081
THESE
Présentée devant
L’INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON
pour obtenir
LE GRADE DE DOCTEUR
FORMATION DOCTORALE : Matériaux
ECOLE DOCTORALE : Matière condensée, surfaces, interfaces
par
DESIERES Yohan
Ingénieur INSA
Conception et études optiques de
composants micro-photoniques sur
matériaux III-V à base de structures à
bande interdite de photon
Soutenue le 20 décembre 2001 devant la Commission d’examens
Jury :
MM. BENISTY Henry Maître de conférences Rapporteur
BENECH Pierre Professeur Rapporteur
LOURTIOZ Jean Michel Directeur de recherche Examinateur
DE LA RUE Richard Professeur Examinateur
GUILLOT Gérard Professeur Examinateur
CASSAGNE David Maître de conférences Examinateur
SEASSAL Christian Chargé de recherche Examinateur
BENYATTOU Taha Chargé de recherche Directeur de thèse
Cette thèse a été préparée au Laboratoire de Physique de la Matière de l’INSA de LYON

A Xav, à sa famille
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Remerciements
Je me rends compte aujourd’hui à quel point ces phrases sont
difficiles à écrire. Difficile car évidemment chargé des émotions qui ont
parcourues ces trois ans de vie
Je commencerai donc « classiquement » par remercier Gérard Guillot,
directeur du Laboratoire de Physique de la Matière de m’avoir accueilli pour
mon stage de DEA puis pour ce travail de thèse. Je tiens à le remercier
particulièrement pour le suivi des différents aspects de ce travail. Ce
remerciement pourrait à l’évidence être un remerciement collectif du
laboratoire. Qui n’a pas eu un article dans sa boite signé « important, GG » ?
Ce travail n’aurait pas été possible sans mon directeur de thèse, T.
Benyattou, pour qui je garderai un profond respect scientifique et qui restera
pour longtemps pour moi un modèle en terme d’esprit de synthèse. Nos
discussions de bureau auront largement nourri ce travail et ma motivation de
jeune chercheur. Le fameux carnet à idées n’est pas près d’être vide au LPM.
L’échange et les collaborations ont également été des éléments
essentiels à l’avancé de ce travail. Je remercie donc de manière impersonnelles
tous ceux qui s’impliquent dans l’organisation des journées scientifiques
(conférences, GdR, réunion programme CNRS et Région). Ces journées
d’échanges ont été des bols d’air enrichissants et motivants et restent parmi les
meilleurs moments de cette thèse. Côté collaborations, merci tout d’abord à
Christian Grillet du LEOM pour la réalisation des structures à cristaux
photoniques. Cette thèse n’aurait évidemment pas pu avoir une part
expérimentale sans échantillons. Je remercie également Alain Morand de
L’IMEP et Marine le Vassor d’Yerville du GES pour leurs indispensables
contributions numériques. Bonne continuation à tous.
Ce travail est également celui des techniciens du LPM, Manu, Philippe, qui ont
largement contribué à l’amélioration et la maintenance du dispositif
expérimental. Ils sont des acteurs majeurs de la qualité de vie et de travail au
LPM.
Merci également aux autres membres permanents de l’équipe MCMO
pour leurs conseils et bonne humeur : Régis et Jean Marie pour être aussi
proches des doctorants, Catherine, Georges, Kader.
Comment définir ces trois années de thèse au LPM. Avant tout par
l’ambiance et la solidarité qui régne entre les doctorants. Nul doute que tous
les aléas de nos expériences ont été largement compensés par cette expérience
humaine. Je tiens donc à remercier tous les doctorants grâce auxquels ces
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années resteront pour moi autre chose qu’une aventure scientifique. Ronan,
Manu, Anis, Agnès, Murielle, Hugo, Paolo, José, Karim, Liviu pour les plus
anciens. Bon vent à vous.
Viennent ensuite et surtout Bab et Christophe, Laurent, Lilian et Mme
Stéphanie « pipot » Périchon-Lacour, Silvia. L’extraordinaire Dr Nabilus ne
peut manquer le césar de ces remerciements. Sa gentillesse et ses innombrables
commentaires deviendront sans aucun doute légendaires au laboratoire.
Les thésard d’hier laissent place encore et encore à ceux
d’aujourd’hui: Matthieu, Stéphane, Aldrice, Nicolas….Bon courage à tous.
Mon travail n’aurait pas pu se dérouler dans de si bonnes conditions
sans ses moments « soupapes » vécus hors du laboratoire. Pour cela merci
notamment à Jérémie, Nicolas, Julien, Denis, Mama korti’s, les MNS des
casernes, hot snowboard, Superfrog… et plus récemment à Mathieu Cottin.
Je ne pourrais finir sans inclure dans ces remerciements les deux
personnes les plus chères qui ont supporté mon indisponibilité courante ces
trois dernières années. Elles se reconnaîtront et mériteraient, s’il avait un sens,
cent fois le titre de docteur.
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Introduction
Le marché des transmissions de données demande depuis quelques
années des débits tels que la voie de transmission optique est devenue la voie
majeure. Le développement des fibres optiques a constitué le premier maillon
essentiel à la mise en place de cette technologie de routage de l’information.
L’information est aujourd’hui transmise sur de nombreuses fréquences et des
composants optiques sont indispensables en sortie de fibre pour gérer
notamment les opérations de multiplexage/démultiplexage. Ces circuits
optiques existent mais sont de l’ordre du centimètre : ils restent donc
encombrants, et donc peu favorables à une production de masse. Parallèlement
à cette problématique liée au développement de l’Internet, les interconnexions
électriques entre puces commencent à être si proches les unes des autres que
leurs performances pourraient en être limitées. Réaliser des interconnexions
optiques peut être une solution à condition que les tailles de ces composants
soient du même ordre que celles des composant microélectroniques actuels.
Les cristaux photoniques, nés des idées de Yablonovitch1 et John2 en
1987, sont de nouveaux matériaux dont les propriétés optiques permettent de
manipuler la lumière à l’échelle de la longueur d’onde. Ces cristaux sont des
structures dont l’indice diélectrique varie fortement à l’échelle de la longueur
d’onde sur une, deux ou trois directions de l’espace. Cela en fait des réflecteurs
efficaces, multidirectionnels, et compacts dont l’utilisation permet d’envisager
une réduction en taille des composants d’optique guidée d’un facteur 103 à 104.
Des études antérieures ont déjà, dans cette optique, validé les potentialités de
cristaux bidimensionnels réalisée dans un guide d’onde planaire. Ce travail
s’appuie sur ces premières études pour étudier des dispositifs de guidage et de
filtrage réalisés à partir de ce type de cristaux, aux longueurs d’ondes des
télécommunications par fibres optiques.
Dans le chapitre 1, nous présentons les principes physiques de base
des cristaux photoniques. Nous nous attardons sur l’utilisation des cristaux
photoniques en géométrie de guide d’onde en précisant les particularités de
cette géométrie et en rappelant les résultats qui ont permis de valider cette
approche de confinement mixte. Nous évoquons brièvement les intérêts de ces
structures pour l’optique intégrée.
1 YABLONOVITCH, E. Inhibited spontaneous emission in solid state physics and electronics. Physical
review letters. 1987, vol 58, n°20, p 2059-2062
2 JOHN, S., Strong localization of photons in certain disordered dielectric superlattices. Physical review
letters. 1987, vol 58, n°23, p 2486-2489
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