Photonique non-linéaire AlGaAs intégrée à haut contraste

This experimental thesis deals with high-index-contrast integrated nonlinear photonics, with a focus on micro- and nano-fabrication. My main objective is to assess the potential of the monolithic AlGaAs platform for the challenges of the 21 st -century photonics, with respect to alternative hybrid solutions. Since high index contrast requires a guiding medium with a much higher refractive index than the cladding, we resort toAlGaAs structures (n ≈ 3) either suspended in air (n = 1) or sitting on AlOx (n ≈ 1.6).In this context, I observed the second harmonic generation (SHG) at 1.55 µm in two families of suspended AlGaAs devices that I designed and fabricated: microdisks and nanowires.In the former, the measured SHG efficiency of 2.8 × 10 −4 %W -1 was smaller than the one obtained in a previous generation of disks, despite a twofold increase of the Q factors. This result shows that we are not fully exploiting the potential of our doubly resonant whispering-gallery-mode cavity to enhance the nonlinear interaction, and thus the need of post-processing device optimization.In the case of the nanowires, the SHG efficiency was 1.2 %W -1 for a snake waveguide exhibiting a novel form of dual quasi-phase matching, and 2.7 %W -1 for its straight counterpart, comparable to state-of-the-art SHG in the telecom C band.The fragility of these suspended structures and their poor thermal evacuation, which only allows low-power operation, led us to explore also the AlGaAs-on-AlOx platform. We therefore designed and fabricated AlGaAs shallow microrings for four-wave mixing. Their relatively low Q factors, as well as the non-reproducibility of the experimental results are ascribed to the defects at the AlGaAs/AlOx interface induced by the oxidation of MBE-grown AlAs.While monolithic AlGaAs-on-AlOx constitutes an ideal platform for subwavelength nanophotonics (where propagation losses and Q factors are not an issue), we suggest that future AlGaAs high-contrast waveguides and high-Q microcavities might be fabricated bywafer bonding, substituting AlAs oxidation with SiO 2 deposition.Cette thèse expérimentale se porte sur la photonique non-linéaire intégrée à haut contraste d’indice, avec un focus sur la micro e nano-fabrication. Mon objectif principal est d’évaluer le potentiel de la plateforme AlGaAs monolithique pour les challenges de la photonique du 21 ème siècle, par rapport à d’autres solutions hybrides. Puisque le haut contraste d’indice requiert un milieu de guidage avec un indice de réfraction beaucoup plusélevé que celui de la gaine, nous avons recours à des structures en AlGaAs (n ≈ 3) soit suspendues dans l’air (n = 1), soit reposant sur AlOx (n ≈ 1.6).Dans ce contexte, j’ai observé la génération de deuxième harmonique (SHG) à 1.55 µm dans deux familles de dispositifs suspendus en AlGaAs que j’ai conçus et fabriqués : microdisques et nanofils. Pour les premiers, l’efficacité de SHG mesurée de 2.8 × 10 −4 %W -1 , est inférieure à celle obtenue pour la génération de disques précédente, malgré des facteurs de qualité deux fois plus élevés. Ce résultat démontre que l’on n’exploite pas pleinement le potentiel de nos cavités à mode de galerie doublement résonantes pour hausser l’interaction non-linéaire, d’où la nécessité d’une optimisation du dispositif après sa fabrication.Dans le cas des nanofils, l’efficacité de SHG est de 1.2 %W -1 pour un guide d’onde serpent avec une nouvelle forme de double-quasi-accord de phase, et de 2.7 %W -1 pour son homologue droit, comparable à de l’état de l’art pour la SHG dans la bande C télécom. La fragilité de ces structures suspendues et leur faible évacuation thermique, ce qui ne permet q’une opération à basse puissance, nous a conduit à explorer la plateforme AlGaAs-sur-AlOx. Nous avons alors conçu et fabriqué des dispositifs peu profonds en AlGaAs pour le mélange à quatre ondes. Leurs facteurs Q relativement faibles et la non-reproductibilité des résultats expérimentaux sont attribués aux défauts de l’interface AlGaAs/AlOx introduits par l’oxidation de l’AlAs, obtenu avec épitaxie par faisceau moléculaire.La plateforme monolithique AlGaAs-sur-AlOx constitue une solution idéale pour la nanophotonique à sub-longeur d’onde (ou les pertes par propagation et les facteurs Q ne sont pas un enjeu), mais nous suggérons que les futurs guides d’ondes et les microcav-ités à haut-Q et haut contraste en AlGaAs soient fabriquées par liaison des couches, en substituant l’oxydation de l’AlAs par une déposition de SiO2