A study of silicon carbide micro-disks on silicon substrate, towards nonlinear optics application from near to mid-infrared.
Étude de micro-disques de carbure de silicium sur substrat de silicium, vers une application d’optique non-linéaire intégrée du proche au moyen infrarouge
Résumé
In this work, we investigate the design, fabrication and characterization of silicon carbide micro-disks on a silicon pillar designed to operate from near to mid-infrared. We study a simple but efficient approach that enables us to suppress higher order whispering gallery modes while preserving the quality factor of the fundamental mode. This suppression, useful for instance for frequency comb generation relies only on the silicon pillar under etching and can easily be transferred to other platforms and wavelengths. The first chapter is a general introduction to whispering gallery modes micro-resonators wherein we describe the complex physics of these structures. The second chapter focuses on the SiC micro-resonators. We begin with a general introduction of the material to then simulate light propagation inside the resonators to design innovative structures. Using the higher refractive index of silicon compared to SiC, we show that it is possible to suppress the higher order radial modes. We then briefly describe the fabrication steps. The third chapter deals with the SiC micro-disks experiments. First characterisations by evanescent coupling were done in the near infrared to identify whispering gallery modes. Then, we lead some characterisations on smaller under-etching disks to highlight the higher order modes suppression. We finally did a thermo-optic study of the material to validate its use at high temperature and high power, where SiC is specifically interesting compared to other integrated optics materials. To conclude, we dedicate the last chapter to nonlinear and mid-infrared perspectives. We present a dispersion engineering study that should enable us in future work to fabricate SiC frequency comb sources.
Cette thèse étudie la conception, la fabrication et la caractérisation de micro-disques de carbure de silicium sur substrat de silicium conçus pour opérer du proche au moyen infrarouge. Nous étudions une approche simple mais efficace permettant de supprimer les modes de galerie d'ordre supérieur tout en préservant le facteur de qualité du mode fondamental. Cette suppression, utile par exemple pour la génération de peignes de fréquence se base simplement sur la sous-gravure du pilier de silicium et est aisément transposable à d'autres plateformes ou longueurs d'onde. Le premier chapitre est une introduction générale aux micro-résonateurs à modes de galerie dans lequel nous décrivons la physique extrêmement riche de ces structures. Le deuxième chapitre se concentre sur les micro-disques de SiC à proprement parler. Nous commençons par une introduction générale du matériau puis nous simulons la propagation de la lumière dans les résonateurs pour concevoir des structures innovantes. En utilisant l'indice de réfraction optique supérieur du Si à celui du SiC, nous montrons qu'il est possible de supprimer les modes radiaux d'ordre supérieur. Nous traitons ensuite brièvement des étapes de fabrication. Le troisième chapitre regroupe les expériences réalisées sur les micro-disques. Des premières caractérisations par couplage évanescent dans le proche infrarouge permettent d'identifier les modes de galerie du résonateur. Ensuite, des caractérisations sur des disques de sous-gravure inférieure mettent en évidence la suppression des modes d'ordre supérieur. Nous réalisons enfin une étude thermo-optique du matériau afin de valider son emploi à forte puissance et haute température, des régimes dans lesquels le SiC se démarque des autres matériaux d'optique intégrée. Pour terminer, nous consacrons le dernier chapitre aux perspectives pour l'optique non-linéaire et le moyen infrarouge où nous proposons une étude de l’ingénierie de la dispersion qui doit nous permettre, à l’avenir, de réaliser des sources de type peigne de fréquence.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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