Le silicium nanoporeux : microstructuration diélectrique et application aux structures photoniques avancées

Nanoporous silicon: dielectric microstructuring and application to advanced photonic structures

¹ Laboratoire de Spectrométrie Physique, Université J. Fourier Grenoble 1, CNRS UMR 5588, B.P. 87, 38402 Saint-Martin d'Hères, France.
² Institute of Materials Science and Department of Electrical and Information Engineering, University of Wuppertal, Gauss-Str. 20, 42097 Wuppertal, Germany.

Résumé

Ce travail est consacré à la réalisation et à l'étude de microstructures photoniques à base de silicium nanoporeux.
Nous commençons notre étude par des structures planaires de type microcavité, dont nous caractérisons l'influence sur la photoluminescence du matériau, en termes de redistribution spectrale et angulaire. Il apparaît très vite la nécessité de contrôler la propagation de la lumière dans le plan de la structure.
Aussi, nous cherchons d'abord à favoriser la propagation latérale au moyen d'une structuration verticale de l'indice, et nous étudions le guidage au moyen de deux types de structures, exploitant soit à un guidage conventionnel par réflexion totale interne, soit à un guidage par réflexion de Bragg. À cette occasion nous proposons une méthode numérique, basée sur le formalisme des matrices de transfert, permettant de calculer l'atténuation de la puissance transportée dans le plan.
Par la suite, nous mettons à profit le procédé holographique de structuration d'indice démontré par des travaux antérieurs et étudions son influence sur la lumière guidée. La transmission, mesurée en lumière blanche sur un guide multimode révèle de multiples bandes interdites que nous interprétons en termes de couplages diagonaux et non diagonaux. La confrontation des mesures avec une modélisation par la méthode des modes couplés nous permet d'établir une carte d'indice de notre structure. Il apparaît une biréfringence marquée dans les régions insolées par le procédé holographique, caractérisées par une diminution deux fois plus importante de l'indice extraordinaire () que de l'indice ordinaire (). Avec une période de 450 nm, ces valeurs de contraste sont encourageantes, bien que la modulation d'indice ne soit présente que sur une profondeur effective de l'ordre de 0,5 μm.

Abstract

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 influence on both angular and spectral distributions of photoluminescence are investigated. 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 () than the ordinary index (). 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.