Conception, fabrication et caractérisation d'un modulateur optique à commande plasmonique sur nitrure de gallium à une longueur d'onde de 1,55 micron

Future optical modulators have to satisfy requirements that current electro-optical modulators fail to do, such as very low command voltage, small size and ability to work in the 0-40GHz range with low losses. It is also necessary to find new ways to modulate light at a faster speed but with low consumption. The work in this thesis addresses these above mentioned problems within the framework of an upstream project which has been financed by the French Ministry of Defence. Its goal is to evaluate the potential gain of plasmonics in the field of semiconductors based optical modulation. We first select a gallium nitride based structure on sapphire whose optical properties exhibit very low propagation losses of 0.6dB/cm. Then we proved the generation of a plasmonic wave for a Au/GaN interface. Optimizations were conducted to get the most effective modulation by varying optical index of the semiconductor. Several devices were fabricated in clean room and were characterized. Results obtained in optical measurements proved the effect of electric field in varying the optical index of GaN until 10-2 for tens of volt; however, RF propagation losses were high, about 16dB/cm for 20GHz. In addition, an electro-absorption structure using multi-quantum wells on InP substrate shows index variation of the order of 2×10-3 for only 2.5V by the prism-coupling technique. This thesis work, which has been the very first one in this domain in this laboratory, will pave the way for future research into new materials for optoelectronic applications and highlight the critical issues of the use of plasmonics for optical modulation in semiconductors.Les futurs modulateurs optiques doivent satisfaire à des exigences auxquelles les modulateurs électro-optiques actuels ne peuvent plus répondre (tension de commande et dimensionnement faible, fonctionnement dans la gamme 0-40GHz à faibles pertes). Il devient alors nécessaire d'envisager de nouveaux moyens de réaliser une modulation rapide à faible consommation. Ce travail s'inscrit au sein d'un projet amont de la DGA, afin d'évaluer le gain potentiel de la plasmonique sur semiconducteurs pour la modulation optique. Nous avons d'abord sélectionné des couches de GaN sur saphir avec d'excellentes propriétés optiques et des pertes de propagation de l'ordre de 0,6dB/cm. Ensuite, nous avons montré la génération d'une résonance plasmonique à l'interface Au/GaN. Un travail d'optimisation a été réalisé en vue de rendre sa modulation efficace par variation de l'indice du GaN. Plusieurs dispositifs de démonstration ont été fabriqués en salle blanche puis caractérisés. Si les résultats optiques obtenus ont montré un effet de variation d'indice nouveau jusqu'à Δn=10-2 pour plusieurs dizaines de volt, les pertes RF de propagation se sont révélées élevées, proches de 16dB/cm à 20GHz. En parallèle, une structure à effet d'électro-absorption utilisant un multipuits quantique sur InP a été conçue et caractérisée par couplage par prisme et a montré des variations d'indice de l'ordre de 2×10-3 à 2,5V. Ces travaux de thèse, précurseurs dans ce domaine au sein du laboratoire, vont permettre d'orienter les recherches futures vers de nouveaux matériaux pour l'optoélectronique, mais aussi de mettre en exergue les points durs de la plasmonique pour la modulation optique sur semiconducteurs