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Nanophotonique Silicium
Laboratoire Silicium Nanoélectronique Photonique et Structures
Département de Recherche Fondamentale sur la Matière CondenséeCEA/Grenoble
2CEA/DRFMC/SiNaPS
Nanophotonique ?!
Guide d'onde : 2.4 db/mm (IBM) Modulateur Thermo-optic (IBM)
Nanoélectronique pourrait….devrait….devra… utiliser les photons ?!
Electrically pumped hybrid AlGaInAs-silicon evanescent laserA.W.Fang et al., 2 October 2006 Optics Express (Intel - UCSB)
3CEA/DRFMC/SiNaPS
Nanophotonique Silicium
Si
SiO2
Contrôler l'émission de lumière,
contrôler sa localisation,pour réaliser des dispositifs ...
4CEA/DRFMC/SiNaPS
Un matériau de choix, le Silicium sur Isolant (SOI)
SiO2
SiO2
c_ Si (44nm)
interfaces
nSi=3.45
nair=1
nSiO2=1.48
Si
SiO2
Guidage par réflexion totale
interne
5CEA/DRFMC/SiNaPS
Le SOI et les Cristaux Photoniques
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Fréquence réduite
(a/λ)
Bande interdite photonique
Bande interdite photonique
Modes couplés à l’espace libre
Modes non couplés à
l’espace libre
6CEA/DRFMC/SiNaPS
CEA : 16000 p. , 9 research centersCEA : 16000 p. , 9 research centers4 poles
DSV
DSMDSM2500 p.(1700 CEA)
Nucléaire Militaire
EnergieNucléaire
Recherche Technologiqu
e
Recherche Fondamenta
le
GRENOBLE, 900p.GRENOBLE, 400p.
GRENOBLE, 400p.Centre de Recherche Centre de Recherche
GrenobleGrenoble
7CEA/DRFMC/SiNaPS
MINATEC Centre
Partenaires Industriels
Recherche appliquée
Léti
Enseignement
INPG
Recherche
DRFMC+ INPG + Léti
Maison des
Micro-Nano Technologies
45 000 m²
Recherche
DRFMC+ CNRS
8CEA/DRFMC/SiNaPS
jusqu'à la réalisation de dispositifs electro-optiques
nanophotonique Si
MINATEC center
Le Laboratoire SiNaPS / DRFMC
nanostructures Si
20 nm
9CEA/DRFMC/SiNaPS
Cavités à grands Q Collaboration IOTA & LTM
1571 1572 1573 15740
1
2
3
1573,95 1574,00 1574,05
Intensité (u.a,)
? ( )nm
27 pm
N=7 Q > 60.000
V~ 0.6 (λ/n)3
~ 0.052 µm3
N = 3taperedsection
SiO2
cavity
Si
mirror500 nm
P.Velha et al, Appl. Phys. Lett., 89 (2006)
P.Velha et al, New Journ. Phys., 8 (2006)
10CEA/DRFMC/SiNaPS
Add drop Collaboration IMEP & LETI
@ λ = 1606 nm
A.Morand, et al., Optics Express, 14 (26), 12814 (2006).
Q = 35.000
8µm)
11CEA/DRFMC/SiNaPS
Microrésonateurs à très grand Q
µdisque SiO2 + dépot SRO:Er + fusion laser CO2
Q = 103 - 105
= 15 µm
Q > 108
µtore SiO2
Collaboration IMEP & LKB
J. Verbert et al., Appl. Phys. Lett. 86, 1 (2005)
J. Verbert et al., Eur. Phys. J. Appl. Phys. 34 (2006)
12CEA/DRFMC/SiNaPS
Localisation des porteurs et émission à l'ambiante
B. Cluzel, Appl. Phys. Lett., 88 (2006)Si
3D box
B. Cluzel, Appl. Phys. Lett., 89 (2006)
La localisation sans confinement quantique permet une émission à 1.145µm à l'ambiante
13CEA/DRFMC/SiNaPS
1,06 1,08 1,10 1,12 1,14 1,16 1,18 1,20 1,22 1,24
X 10
Wavelength (µm)
PL intensity (a.u,)
Cristal photonique (a = 640 nm)
Cristal photonique (a = 320 nm)
Substrat SOI
Structure à cristaux photoniques à modes lents
M. Zelsmann, Appl. Phys. Lett. 83 (13), 2542 (2003)
• Augmentation de l'extraction de 70%
• Plus de 35% de la lumière est extraite verticalement
a = 320 nm
a = 640 nm
Spot d'excitation et de collection = 2 µm
Red
uced
fre
quen
cy (
a / λ
)
Wave vector in the first Brillouin zone
TETM
Light cone
Γ
M K
M KΓ Γ
14CEA/DRFMC/SiNaPS
Image MEB
Spectroscopie en champ proche Collaboration LPUB
SNOMÉchantillon
Objectif de collection
Objectif d’injection
Facettes clivées0.4 µm
B. Cluzel, J. Appl. Phys. 98, (2005)
B. Cluzel, Appl. Phys. Lett. 88, (2006)
10 µm
B. Cluzel, Appl. Phys. Lett. 85 (2004)
15CEA/DRFMC/SiNaPS
NOEMS
Light in
IT(λ)
Tip up
z >100nm
~100nmSiO2
z =4nmNear-FieldInteraction
Tip down up
down
Nanocavité accordable en champ procheAccord sur ~ 1nm
Sans dégradation de Q
Collaboration LPUB & LTM & IOTA
17CEA/DRFMC/SiNaPS
Du 2D au 3D : interaction 1D + 2D
+ =
Collaboration LEOM & IEF
higher Q
lower Q
SOI
E. Hadji, Proc. SPIE - Phot. West 2005
X. Li, Appl. Phys. Lett 88, 091122 (2006)
18CEA/DRFMC/SiNaPS
Cristaux photoniques bi-dimensionnels : diagramme de bandes
19CEA/DRFMC/SiNaPS
