Les non-linéarités optiques des semiconducteurs

Les télécommunications tiennent une place de plus en plus importante dans notre société. Le besoin grandissant de véhiculer de l’information nécessite le développement de nouvelles techniques permettant d’accroître le débit des données (multimédia, internet). Jusqu’aux années 60, le transport de l’information se faisait grâce à l’électronique. Cependant, elle montre des limites en ce qui concerne le transport d’informations à hauts débits. De plus, l’atténuation des signaux électriques sur de longs trajets demande des dispositifs permettant d’amplifier ces signaux et donc des investissements financiers importants. A partir des années 60, l’optique a fait son apparition dans le domaine des télécommunications grâce à la fibre optique. L’optique présente de nombreux avantages: elle permet de véhiculer des informations à grande vitesse, avec une bande passante large (impulsions courtes), ainsi qu’un fort parallélisme spatial (fonction inaccessible avec l’électronique). Cependant, le débit dans les réseaux optiques de télécommunications est limité notamment par les conversions optique/électronique du signal. En effet, à chaque nœud, le traitement du signal est aujourd’hui essentiellement électronique. Afin de pouvoir bénéficier de toutes les potentialités des fibres, il serait intéressant de préserver la continuité optique des réseaux. Pour cela des composants tout-optiques réalisant des fonctions telles que la conversion de longueur d’onde, la régénération optique ou encore le routage doivent être développés.

Une famille importante de ces composants exploite les effets non-linéaires dans les semiconducteurs. Le couplage de ces matériaux avec des microcavités verticales exalte l’interaction lumière/matière (les effets non-linéaires sont ainsi amplifiés) et rend possible la modulation tout-optique avec des énergies de commande relativement faibles.

La méthode couramment utilisée pour réaliser des modulateurs tout-optiques rapides est de moduler la fonction diélectrique du matériau via la photogénération de porteurs de faible durée de vie. Ce sont les absorbants saturables dans lesquels la présence d’une grande densité de porteurs libres sature les états permis et par conséquent sature l’absorption du matériau. L’absorption recouvre alors sa valeur d’origine lorsque ces porteurs ont disparu par recombinaison sur des pièges très efficaces. Le temps de réponse du processus dépend alors uniquement de la durée de vie des porteurs libres.

Les non-linéarités optiques des semiconducteurs 

Aujourd’hui, les semiconducteurs sont les matériaux de base pour l’électronique et le traitement de l’information. La maîtrise de leur élaboration et des procédés technologiques permettent la fabrication de composants électroniques à faibles coûts et en grande quantité. Ces matériaux possèdent également des propriétés optiques très intéressantes de sorte que des composants opto-électroniques ont été mis au point. Ces composants, qu’ils soient actifs (VCSEL’s, diodes laser,..) ou passifs (absorbants saturables,…), sont devenus les éléments clefs du traitement de l’information. Ces composants passifs sont basés sur l’utilisation des propriétés optiques non-linéaires des semiconducteurs.

Afin de s’affranchir des problèmes thermiques inévitables liés à la recombinaison des porteurs générés, nous chercherons à exploiter les non-linéarités dues aux états liés. En excitant le matériau avec des photons d’énergie inférieure à celle du gap du semiconducteur, trois effets peuvent être à l’origine de non-linéarités optiques : effet Raman électronique, absorption à deux photons et effet Stark optique. Ces trois phénomènes seront abordés et nous nous attarderons sur celui que nous avons cherché à utiliser pour réaliser une modulation d’intensité ultra-rapide et peu dissipative: l’effet Stark optique.

Non-linéarités optiques des semiconducteurs 

Les dispositifs permettant de moduler l’intensité lumineuse doivent présenter au moins deux caractéristiques: le meilleur contraste possible au niveau de la modulation et un temps de reconfiguration le plus court possible. La dissipation thermique doit également être prise en compte. La majorité des dispositifs étudiés sont basés sur la photogénération de porteurs libres qui modifient l’absorption. C’est le cas des absorbants saturables. Après avoir présenté les processus mis en jeu dans ce type de composants ainsi que les moyens utilisés pour accroître leur vitesse de fonctionnement, nous présenterons une autre voie que nous avons explorée pour atteindre le même objectif de modulation. Cette voie ne fait pas intervenir la génération de porteurs libres et concerne les non-linéarités dues aux états liés.

Non-linéarités dues aux états libres 

Les non-linéarités des états libres interviennent lorsque l’on illumine un semiconducteur avec des photons d’énergie supérieure à l’énergie de bande interdite. Les processus mis en jeu, lors de l’absorption de ces photons .

Remplissage des états
Lorsque l’on excite fortement un semi-conducteur au voisinage du gap, il se produit une saturation de l’absorption par remplissage des états des bandes de valence et de conduction. Ce remplissage bloque l’absorption des photons arrivant après. En effet, selon le principe d’exclusion de Pauli, deux porteurs photogénérés ne peuvent pas se trouver dans le même état quantique. On parle de blocage de Pauli ou de remplissage de l’espace des phases. A forte intensité d’excitation, le semiconducteur devient transparent aux photons d’énergie proche du gap. Dans le cas d’un semiconducteur massif, à température ambiante, la variation d’absorption est essentiellement due au remplissage des états .

Dans le cas d’un matériau présentant un pic d’absorption excitonique (semiconducteurs nanostructurés ou massif à basse température), les porteurs libres générés perturbent les excitons par collisions et élargissent donc le pic d’absorption excitonique. On constate une chute de l’absorption excitonique (bleaching). Si l’intensité de l’excitation augmente, l’absorption du continuum sature également. De plus, lorsque la densité de porteurs libres photogénérés augmente, le phénomène de renormalisation du gap est également à prendre en compte dans la variation de l’absorption.

Réduction de la durée de vie des porteurs 

Que ce soit dans des semiconducteurs massifs ou des puits quantiques, l’excitation optique entraîne une chute de l’absorption, conséquence de la génération de porteurs libres. La modulation optique dure tant que ces porteurs ne se sont pas recombinés, c’est à dire de l’ordre de la nanoseconde dans du massif et de plusieurs centaines de picosecondes dans des puits quantiques élaborés à température standard. Cette durée impose la vitesse de reconfiguration du modulateur et donc la vitesse de fonctionnement du système. Afin de diminuer la durée de vie des porteurs, introduire des défauts dans la structure permet de créer des pièges pour les porteurs libres. Plusieurs solutions ont été envisagées pendant la croissance du matériau (croissance basse température ou dopage avec des ions) ou après croissance (implantation ionique). Cependant, la création de défauts entraîne la dégradation du réseau cristallin et donc de l’absorption avant excitation.

Table des matières

INTRODUCTION
Chapitre 1- Les non-linéarités optiques des semiconducteurs
1.1. Les semiconducteurs
1.1.1. Les semiconducteurs massifs à gap direct
1.1.2. Les semiconducteurs à puits quantiques
1.1.3. Les semiconducteurs à boîtes quantiques
1.2. Non-linéarités optiques des semiconducteurs
1.2.1. Non-linéarités dues aux états libres
1.2.1.1. Remplissage des états
1.2.1.2. Réduction de la durée de vie des porteurs
a. Croissance basse température
b. Dopage
c. Implantation ionique
1.2.2. Non-linéarités dues aux états liés
1.2.2.1 L’effet Raman électronique
1.2.2.2 Absorption à deux photons
1.2.2.3 L’effet Stark optique
Chapitre 2- Les microcavités optiques
2.1. Cavité optique Fabry-Pérot
2.1.1. Définition et propriétés optiques
2.1.2. Transmission et réflexion d’une cavité Fabry-Pérot
2.1.3. Intensité moyenne à l’intérieur de la cavité
2.2. Microcavité optique
2.2.1. Définition
2.2.2. Cas d’une microcavité symétrique non-absorbante
2.2.3. Cas d’une microcavité asymétrique non absorbante
2.2.4. Cas d’une microcavité asymétrique absorbante:α indépendant de λ
2.2.4.1. Finesse et largeur à mi-hauteur
2.2.4.2. Minimum de réflectivité: définition du PMC
2.3. Etude d’une cavité asymétrique absorbante: cas général
2.3.1. Introduction
2.3.2. Introduction d’une pseudo-résonance de longueur d’onde λps
2.3.3. Etude numérique de la pseudo-résonance
2.3.3.1. Evolution de la longueur d’onde de pseudo-résonance par rapport au PMC
a. En deçà du PMC
b. Au-delà du PMC
c. Au PMC
2.3.3.2. Variation de λps/λres en fonction de la pente de l’absorption
2.3.3.3. Variation de λps/λres en fonction de la réflectivité avant
2.3.3.4. Etude du rapport λps/λres en fonction de l’absorption
2.3.4. Conclusion
Chapitre 3- Etude expérimentale des microcavités optiques
3.1. Technique d’élaboration des microcavités
3.2. Dispositifs expérimentaux
3.2.1. L’oscillateur paramétrique picoseconde
3.2.1.1. Description
3.2.1.2. Propriétés et particularités de la source laser
3.2.1.3. Système et méthode de détection
3.2.2. Expériences d’auto-diffraction
3.2.2.1. Principe
3.2.2.2. Dispositif expérimental
3.2.3. Expériences pompe-sonde dégénérées
3.2.3.1. Principe
3.2.3.2. Dispositif expérimental
3.3. Filière InP
3.3.1. Description de l’échantillon
3.3.1.1. Réflecteurs
3.3.1.2. Couche centrale
3.3.1.3. Spectre de réflectivité
3.3.2. Expériences d’auto-diffraction
3.3.2.1. Résultats d’auto-diffraction
3.3.2.2. Diffraction avec une pré-pompe
3.3.3. Expériences pompe-sonde dégénérées
3.3.4. Conclusion
3.4. Filière GaAs
3.4.1. Description de l’échantillon
3.4.1.1. Miroirs de Bragg semiconducteurs
3.4.1.2. Milieu intracavité
3.4.1.3. Spectre de réflectivité
3.4.2. Expériences d’auto-diffraction
3.4.3. Expériences pompe-sonde dégénérées
3.4.4. Conclusion
3.5. Conclusion générale
CONCLUSION

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