OPTRONIQUE & infrarouge DOSSIER
Les plateformes de guides d’ onde en silicium suspendus offrent une solution efficace à cette limitation en supprimant la couche de silice sous-jacente et en la remplaçant par de l’ air. Cette approche permet d’ exploiter pleinement la fenêtre de transparence du silicium tout en conservant la compatibilité avec des procédés de fabrication standard. En particulier, les guides d’ onde conçus à base de réseaux sub-longueur d’ onde( SWG) introduisent des régions en métamatériau assurant simultanément le confinement optique, la stabilité mécanique et l’ accès nécessaire au retrait sélectif de la couche BOX( voir Fig. 1a). Les structures obtenues combinent ainsi un fort contraste d’ indice( silicium / air), de faibles pertes de propagation et une grande flexibilité de conception.
Les guides d’ onde en silicium suspendus à gaine SWG ont démontré de faibles pertes de propagation dans l’ infrarouge moyen, avec des valeurs de l’ ordre de 1 – 2,5 dB / cm dans la gamme de longueurs d’ onde 5 – 7 μm. Ces performances constituent une avancée significative par rapport aux approches SOI conventionnelles dans ce domaine spectral et permettent la réalisation de systèmes photoniques fonctionnels et évolutifs dans l’ infrarouge moyen.
En s’ appuyant sur ces propriétés, des circuits photoniques complexes ont été réalisés sur cette plateforme pour des applications de spectroscopie. En particulier, un spectromètre à transformée de Fourier à hétérodyne spatial( SHFTS) a été démontré, opérant dans la gamme de longueurs d’ onde 5 – 6 μm [ 1 ]. Le dispositif, basé sur un réseau d’ interféromètres de Mach – Zehnder présentant des différences de chemin optique variables, illustré en Fig. 1b, atteint une résolution spectrale de l’ ordre de quelques dizaines de nanomètres sur une bande passante de plusieurs centaines de nanomètres. Cette démonstration met en évidence le potentiel de la photonique sur silicium suspendu sub-longueur d’ onde pour la spectroscopie d’ absorption intégrée, en combinant large bande spectrale, compacité et compatibilité avec des procédés de fabrication à grande échelle.
Dans l’ ensemble, les guides d’ onde en silicium suspendus nanostructurés à l’ échelle sub-longueur d’ onde constituent une technologie clé pour la photonique intégrée dans l’ infrarouge moyen, ouvrant de nouvelles perspectives en détection, imagerie et communications optiques en espace libre, tout en conservant les avantages d’ une fabrication à grande échelle basée sur le silicium.
LES ALLIAGES SIGE POUR LES PLUS HAUTES LONGUEURS D’ ONDE Les circuits photoniques utilisant la plateforme SOI présentent un avantage indéniable lié à la compatibilité avec des technologies déjà industrialisées. Cependant une grande partie du spectre de l’ infrarouge moyen est inaccessible quand la lumière est guidée dans le silicium, en raison de l’ absorption multiphonon au-delà de 8 µ m.
En parallèle il est intéressant de noter que le Germanium( Ge), un semi-conducteur largement utilisé en photonique silicium, notamment pour son absorption dans le proche infrarouge, est transparent sur une large gamme spectrale, de 1,9 à 15 µ m de longueur d’ onde. De nombreux travaux sont donc menés pour développer des structures intégrées photoniques à base de Ge ou d’ alliages SiGe, en utilisant différentes plateformes: Ge sur Si, Ge sur SOI, SiGe sur Si, SiGe graduel, etc …. Parmi les avantages attendus, outre la gamme spectrale de transparence, on peut noter que le Ge possède un indice de réfraction élevé de l’ ordre de 4 qui permet un confinement important du champ électromagnétique et un indice non linéaire Kerr élevé, de deux ordres de grandeur supérieur à celui du nitrure de silicium couramment utilisé pour des applications d’ optique non linéaire.
Cependant un défi majeur est lié à la différence de paramètre de maille entre le Ge et le Si, couramment utilisé comme substrat. C’ est cette raison qui a poussé au développement des structures graduelles à base d’ alliage SiGe, comme représenté sur la Figure 2a. Sur un substrat Si, une croissance épitaxiale de SiGe, dont la concentration en Ge augmente progressivement lors de la croissance, permet une adaptation progressive du paramètre de maille, et l’ obtention d’ une couche supérieure en Ge ou en SiGe riche en Ge, de bonne qualité cristalline. Par ailleurs, l’ indice de réfraction du SiGe étant
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