• Langue : Français
• Discipline : Electronique, photonique
• Identifiant : 2025ULILN016
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 09/10/2025

Résumé en langue originale

La modulation rapide d'amplitude et de phase est essentielle pour de nombreuses applications, notamment la stabilisation d'amplitude/fréquence laser, la détection cohérente, la spectroscopie FM/AM et la détection de gaz, le verrouillage de modes, les communications optiques, les contre-mesures militaires, etc.Malgré de récents résultats encourageants, dans la gamme du moyen infrarouge (MIR, ~ 3-12 ?m), les modulateurs restent largement sous-développés, ce qui freine les progrès de la photonique MIR. Jusqu'à présent, dans cette gamme spectrale, les seuls dispositifs disponibles dans le commerce sont (i) des modulateurs acousto-optiques en Ge bulk avec des bandes passantes de modulation étroites (~1 MHz) et pouvant atteindre des fréquences de modulation de ~100 MHz ; (ii) des modulateurs de phase électro-optiques résonants à bande étroite (~100 kHz), à base de GaAs et de CdTe bulk avec des fréquences pouvant atteindre ~20 GHz.Dans le cadre de ma thèse, j'ai étudié expérimentalement la possibilité de réaliser un modulateur électro-optique MIR large bande (~1-40 GHz) basé sur GaAs. L'objectif est de démontrer la faisabilité d'un dispositif entièrement intégré, compatible avec les plateformes photoniques MIR actuellement en cours de développement. Le dispositif proposé est un modulateur à ondes progressives basé sur un guide d'onde MIR composé d'un cœur en GaAs et de couches de confinement de Al0.52In0.48P en accord de maille pour le confinement vertical. Ce guide d'onde est intégré dans une ligne de transmission micro-onde pour la propagation du signal de modulation.Dans la première partie de la thèse, par simulation FDTD/HFSS j'étudie et optimise (dans la gamme ~ 8-10 ?m) deux modulateurs basés respectivement sur une ligne micro-onde microruban et une ligne coplanaire. L'objectif principal de cette étude est d'aboutir à une géométrie permettant de minimiser la distance entre les électrodes métalliques de la ligne de transmission, tout en maintenant des pertes ohmiques MIR raisonnables (~< 2dB/cm). De cette manière, on maximise le retard de phase électro-optique pour une tension appliquée donnée. Afin de permettre l'utilisation de tensions élevées, pour le cœur du guide d'onde nous avons choisi du GaAs obtenu par croissance à basse température, qui présente une résistivité d'environ 6 ordres de grandeur supérieure à celle du GaAs épitaxial, ainsi que des champs de claquage > 100÷200kV/cm.Dans la deuxième partie de la thèse, j'ai caractérisé expérimentalement les guides d'ondes MIR fabriqués. Pour ce faire j'ai mis en place un banc optique basé sur un laser à cascade quantique monomode, permettant de mesurer, en transmission, l'amplitude des oscillations Fabry-Pérot autour de 8,3 ?m de longueur d'onde. Avec ce banc, j'ai mené une étude systématique des pertes de propagation MIR en fonction des dimensions du guide d'onde et de la configuration des électrodes, démontrant, à ma connaissance pour la première fois, que le GaAs basse température (GaAs-BT) est non seulement adapté à la fabrication de guides d'onde MIR, mais permet également d'atteindre des pertes de propagation à l‘état de l'art, avec des valeurs inférieures à 1 dB/cm. Mon étude met également en évidence le rôle crucial de la rugosité des parois latérales dans la détermination des pertes de propagation. Les guides d'onde sont obtenus par MBE sur un substrat de GaAs semi-isolant et reposent sur un cœur de GaAs-BT partiellement gravé, situé au-dessus d'une couche de Al0.52In0.48P de 7 ?m d'épaisseur, afin de réduire les pertes par rayonnement. En utilisant ce guide d'onde, je présente, dans la dernière partie de la thèse, la première tentative de caractérisation d'un modulateur basé sur une ligne micro-onde coplanaire.

Résumé traduit

Fast amplitude and phase modulation are essential for a number of applications, including laser amplitude/frequency stabilization, coherent detection, FM/AM spectroscopy and gas sensing, mode-locking, optical communications, military countermeasures, etc.Despite recent encouraging results, in the mid-infrared range (MIR, ~ 3-12 ?m), modulators remain largely underdeveloped, which hampers the progress of MIR photonics. So far, in this spectral region, the only commercially available devices are (i) bulky Ge acousto-optic modulators with narrow (~1MHz) modulation bandwidths, up to ~100MHz modulation frequency; (ii) narrow band (~100kHz) resonant electro-optic phase modulators based on bulk GaAs and CdTe with frequencies up to ~20GHz.In thesis I studied experimentally the possibility to realize a broadband (~1-40GHz) MIR electro-optic modulator based on GaAs. The aim is to demonstrate the feasibility of a fully integrated device compatible with the MIR photonic platforms that are currently under development. The proposed device is a travelling-wave modulator exploiting a MIR waveguide composed of a GaAs core, and lattice-matched Al0.52In0.48P as low-index cladding layer for vertical confinement. This waveguide is embedded in a microwave transmission line for the propagation of the modulating signal.In the first part of the Thesis, through FDTD/HFSS simulations, I investigate and optimize two modulator designs based respectively on a microstrip and a coplanar microwave line. The main goal of this study is to find a geometry that minimizes the distance between the metallic electrodes of the microwave -line, while keeping reasonably low MIR ohmic losses (~<2dB/cm). In this way we maximize the electro-optic phase-retardation for a given applied voltage. To allow the application of the highest possible voltages, for the waveguide core we chose GaAs grown at low temperature, thanks to its high resistivity, ~ 6 orders of magnitude higher than MBE-grown GaAs, and to its high breakdown field > 100÷200kV/cm.In the second part of the Thesis I have characterized experimentally the fabricated MIR waveguides by setting up a dedicated optical bench based on a single-mode quantum cascade laser, allowing to measure, in transmission geometry, the amplitude of the Fabry-Perot oscillations vs wavelength around 8.3 ?m. With this setup I have carried out a systematic study of the MIR propagation losses as a function of the waveguide dimensions and electrodes configuration, showing, to my knowledge for the first time, that low-temperature GaAs (LT-GaAs) is not only suitable to fabricate MIR waveguides but allows also reaching state-of-the art propagation losses below 1dB/cm. My study also shows the crucial role played by the sidewall roughness in determining the propagation losses. The waveguides are grown by MBE on a semi-insulating GaAs substrate and rely on a partially etched LT-GaAs core on top of a 7 ?m-thick, lattice matched Al0.52In0.48P layer to reduce radiation losses. Using this waveguide, in the final part of the thesis I present the first attempt to characterize a modulator based on a coplanar microwave line.