Propriétés optiques des films minces à base de Si dopé Nd: Vers un amplificateur optique

This thesis focuses on the development and the study of Si-based materials dedicated to silicon photonics applications such as optical amplifier or laser. Si-rich SiO2 and Si-rich Si3N4 matrices containing Nd3+ rare earth ions were studied. In such matrices, Nd3+ ions benefit from energy transfer from defects states and/or Silicon nanoparticles present in the host resulting in an efficient indirect excitation of Nd3+ on a broad UV-VIS spectral range. Thus, remarkable emissions of Nd3+ ions at 920, 1064, and 1300 nm have been observed. In order to develop the waveguide active guiding layer from the two matrices and taking the Nd3+ ions emission as a figure of merit, the optimization of the Nd doped layers was carried out. The composition was engineered in terms of Si excess and Nd content by magnetron sputtering methods. Both matrices were annealed by classical or rapid thermal annealing processes in order to tune the layers' microstructures. Investigations of factors influencing the Nd3+ ions emission and sensitization mechanisms have been carried out in both matrices. In Si-rich SiO2, several kinds of Si-based sensitizers towards the Nd3+ ions have been evidenced. While in Si rich Si3N4 an excitation mechanism of Nd3+ ions dependent on silicon excess has been shown. Finally, waveguide based on Si-rich SiO2:Nd3+ layer has shown a significant net gain of 0.68 cm-1 (2.95dB.cm-1) at 1064 nm.Cette thèse décrit le développement et l'étude de matériaux à base silicium (Si) dédiés à des applications en photonique comme l'amplification optique ou le laser. Des matrices de SiO2 et de Si3N4 enrichies en Si contenant des ions de terre rare Nd3+ ont été étudiées. Dans ces matrices, les ions Nd3+ bénéficient d'un transfert d'énergie de défauts ou/et de nanoparticules de Si présents dans la matrice hôte. Cela permet une excitation indirecte et efficace des ions Nd3+ sur une large bande spectral UV-VIS. Ainsi, une émission remarquable des ions Nd3+ à 920, 1064, and 1300 nm a été obtenue. Dans le but de développer la couche guidante active d'un guide d'ondes à partir des deux matrices et en choisissant comme figure de mérite l'émission des ions Nd3+, l'optimisation de couches dopées Nd a été menée. La composition a été modifiée en termes d'excès de Si et de taux de Nd par la technique de pulvérisation magnétron. Les deux matrices ont été recuites par un traitement thermique classique ou rapide afin de modifier la microstructure de celles-ci. L'étude des facteurs influençant les mécanismes d'émission et de sensibilisation des ions Nd3+ a été réalisées. Dans la matrice de SiO2 enrichie en Si, plusieurs sensibilisateurs des ions Nd3+, à base de Si, ont été identifiés. Pour la matrice de Si3N4 enrichie en Si, un mécanisme d'excitation des ions Nd3+ dépendant de l'excès de Si a été mis en évidence. Finalement, un guide d'onde à base de SiO2 enrichie en Si dopé Nd3+ a montré un gain net significatif de 0,68 cm-1 (2,95dB.cm-1) à 1064 nm