Contribution à l’optimisation du couplage Erbium – Nanograins de silicium pour des dispositifs photoniques compacts.

This study focuses on the erbium doped nanostructured semi-conductors materials, innovativeand compatible with the Si technology to develop photonic devices such as waveguide, opticalamplifiers, and laser. The development of such devices is linked to the enhancement of the opticcommunications rate in the metropolitan network, but also to promote microelectronic and photonicfunctions on the same chips. Such applications are made possible due to the beneficial effects ofsilicon nanoclusters in erbium doped silica layer. After an excitation by a beam laser, the siliconnanocluster in its excited state transfers efficiently its energy to the surrounding erbium ions, for whichthe desexcitation is followed by the emission of photon at 1.54 μm. This later is the standardwavelength of the telecommunications. Thanks to this coupling Si-Er, the effective excitation crosssection of Er ions is increased by about five orders of magnitude. Such an effect is a promoter for theapplications mentioned above. This work has therefore consisted in fabricating Er doped-Si-SiO2 thinlayers by RF confocal magnetron co-sputtering and in the optimization of the Si-Er coupling. Theeffects of the deposition parameters on the microstructure and the optical properties of the depositedlayers have been deeply studied. At the end, I succeeded to couple 30% of the Er ions to Sinanoclusters. Optical and electrical devies have been tested and studied.L’étude porte sur des matériaux semi-conducteurs nanostructurés dopés à l’erbium, innovantset compatibles avec la technologie du Si pour développer des dispositifs photoniques tels que lesguides d’onde, les amplificateurs optiques, et les lasers. Ces dispositifs sont destinés à l’augmentationdu débit des communications optiques dans le réseau métropolitain (amplificateur planaire), mais aussià favoriser l’association des fonctions microélectroniques et photoniques sur une même plaquette(source). De telles applications sont rendues possibles en utilisant les effets bénéfiques de la présencedes nanograins de silicium dans une couche de silice dopée à l’erbium. En effet, suite à une excitationpar un faisceau laser, le nanograin de silicium dans son état excité transfère efficacement son énergieaux ions erbium qui ensuite se désexcite en émettant un photon à 1,54 μm qui est la longueur d’ondestandard des télécommunications. Grâce à ce couplage Si-Er, la section efficace effective de l’ionerbium est augmentée de 4 à 5 ordres de grandeur, ce qui est promoteur pour les applicationssusmentionnées. Le travail de ma thèse a donc consisté à fabriquer des couches minces Si-SiO2-Er parco-pulvérisation magnétron confocale et à optimiser le couplage Si-Er. Pour cela les effets dedifférents paramètres de dépôt sur la microstructure et les propriétés optiques des couches mincesdéposées ont été analysés pour aboutir au final à un taux d’ions Er3+ couplé aux nanograins de Sid’environ 30%. Des dispositifs optiques et électriques ont été testés en fin de thèse