Добірка наукової літератури з теми "Guide d'onde intégré"

Dans les domaines du diagnostic environnemental et biomédical, les « biopuces » permettent la détection par fluorescence de plusieurs réactions de « reconnaissance biomoléculaire » en même temps. Un inconvénient des systèmes classiques de détection optique est leur coût et leur encombrement, en particulier à cause de l'alignement précis des différents instruments d'excitation, ce qui limite l'utilisation des biopuces comme détecteur portable et réutilisable. Enfin, plus de 80% de l'énergie de l'émission des fluorophores sont transmis au substrat. Dans ce contexte, notre approche consiste à intégrer des guides d'onde structurés sur la puce pour réduire la taille et le coût du lecteur. Le principe repose sur le couplage de la fluorescence émise à la surface d'un guide ruban, qui la collecte, puis la guide jusqu'en bord de puce pour y être détectée par une barrette de photodiode externe. De plus, nous avons abordé le problème de la réjection de l'excitation couplée au guide par diffusion avec des filtres optiques intégrés de type cristaux photoniques
Optical chemical sensors and biosensors are attracting increasing research interest in applications such as environmental monitoring and biomedical diagnostics. A drawback of all fluorescence detection schemes based on evanescent wave excitation via prism or grating arrangement is the need to carefully align the devices relative to the excitation light beam. Moreover, more than 80% of fluorescence is transmitted to the substrate. Finally, such fluorescence sensors remain costly or bulky, which prevent biochips from being used as a portable testing tool. In this context, our approach consists in using structured Integrated Optical Waveguides, which are one solution to reduce the reader's cost and size. The principle is the capture of fluorescence emitted from the surface of a rib waveguide, which collects then guides it at the end-face of the chip to be detected. I report here the optimization of optical waveguide structures, prototype manufacturing and first results for biochip applications including integrated photonic crystal filters and amplifiers

Les travaux de cette thèse ont porté sur la conception et la réalisation d'un dispositif d'éclairage surfacique à géométrie planaire à base de structures plasmoniques, pour un fonctionnement à 633nm. Ce dispositif sera capable de convertir une lumière incidente cohérente en un faisceau de sortie uniforme sur la surface du dispositif, collimaté et avec un angle prédéfini par rapport au plan du dispositif. Pour réaliser ce dispositif, la solution envisagée est l'utilisation d'un réseau de guides d'onde diélectriques pour répartir la lumière sur la surface, et de chaînes de nano-structures d'argent couplées aux guides, dimensionnées comme des antennes pour réémettre la lumière hors du plan.Les travaux réalisés ont mis en évidence le contrôle du couplage entre le guide d'onde et la chaine de nano-structures d'argent, modulable par plusieurs paramètres dans une gamme comprise entre 10% et 90 % : nombre de particules, dimensions des particules, distance entre le guide et les particules. En jouant sur la période de la chaine, il est possible d'obtenir un rayonnement hors-plan, avec un angle déterminé par la formule des réseaux de diffraction. Des émetteurs élémentaires, composés d’un guide et de chaines de particules, ont été fabriquées en salle blanche et caractérisés sur un banc d’optique guidée à l'aide d'un montage de projection dans le plan de Fourier. Les diagrammes de rayonnement expérimentaux sont en accord avec les simulations. De premiers résultats ont également confirmé expérimentalement la possibilité de moduler le couplage guide-chaine en modifiant les dimensions des particules. Enfin le réseau de guides d'onde a été dimensionné pour une surface d'1 cm² et fabriqué en lithographie par projection. Les pertes linéiques mesurées dans les guides d'onde sont de l'ordre de 5 dB/mm. Plusieurs optimisations peuvent être réalisées pour améliorer la qualité des guides. A partir des données expérimentales obtenues et des simulations de propagation de faisceau, une configuration réaliste de dispositif d’éclairage incluant le nombre et le positionnement des émetteurs sur le réseau de guides a été proposée. L’ensemble des travaux réalisés valident l’approche choisie
This work has focused on the design and realization of a planar lighting device based on plasmonic structures, for a 633nm operation. This device will be able to convert a coherent incident light into a uniform output beam over the surface of the device, collimated and with a predefined angle with respect to the plane of the device. To achieve this feature, the proposed solution is the use of an array of dielectric waveguides to distribute the light over the surface, and silver nanostructures chains coupled to the waveguides and dimensioned as antennas to retransmit the light out of the plane. The work carried out has highlighted the control of the coupling between the waveguide and the silver nanostructures chain, modulated by several parameters in a range between 10% and 90%: the number of particles, particle size, distance between the guide and the particles. By playing on the period of the chain, it is possible to obtain an out-of-plane radiation, with an angle determined by the diffraction gratings formula. Elementary emitters, consisting of a guide and particle chains, were manufactured in a clean room and characterized on a guided wave optical bench with Fourier plane projection set-up. The experimental radiation patterns are in agreement with the simulations one. First results have also experimentally confirmed the possibility of modulating the waveguide-chain coupling by modifying the dimensions of the particles. Finally, the waveguide network has been dimensioned for an 1 cm² surface and manufactured with projection lithography. The linear losses measured in the waveguides are of the order of 5 dB / mm. Several optimizations can be made to improve the quality of the guides. From the experimental data obtained and the beam propagation simulations, a realistic configuration of the lighting device including the number and positioning of the transmitters on the waveguide network has been proposed. All the works carried out validate the chosen approach

La technologie de cinquième génération (5G) est connue comme la nouvelle génération de connectivité de données mobiles et de systèmes de communication sans fil. Il fournira des vitesses vertigineuses à large bande et aura une capacité suffisante pour exécuter toutes les fonctions sans diminution de la vitesse de connexion, quel que soit le nombre de personnes qui se connectent au réseau en même temps. L'un des principaux avantages de la technologie 5G par rapport à la technologie de quatrième génération (4G) n'est pas seulement sa vitesse de livraison, entre 10 Gbps et 100 Gbps, mais aussi la latence. Plus précisément, le spectre sous-utilisé dans la bande de fréquences des ondes millimétriques (30-300 GHz) pourrait être considéré comme une solution potentiellement valuable pour atteindre les objectifs susmentionnés. Cependant, le développement de la prochaine génération de circuits et de systèmes en haute performance à ondes millimétriques nécessite un processus de fabrication à faible coût, une petite surface, une faible consommation et une intégration 3D. Dans ce contexte, la technologie à base de CNT a attiré beaucoup d'attention et pourrait être considérée comme un excellent candidat pour la conception de circuits à ondes millimétriques en raison de ses caractéristiques exceptionnelles par rapport aux autres matériaux. Ainsi, dans cette thèse, dans le cadre du projet ANR TRICOT, le CNT sera considéré comme un matériel particulier pour concevoir et développer une nouvelle technologie et un concept d'intégration 3D dédiés aux applications futures dans les interconnexions et circuits à ondes millimétriques.Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse de doctorat ont été principalement concentrés dans deux directions. Le premier concerne l'utilisation de la technologie CNT pour concevoir les circuits AF-SIW pour les applications à ondes millimétriques en bande E. La seconde direction concerne l'utilisation du concept d'onde lente pour la miniaturisation des circuits AF-SIW conçus pour les applications RF basées aux technologies PCB et CNT. Dans les deux cas, les structures proposées ont été détaillées, puis des analyses théoriques ont été développées et des résultats de simulation et de mesure ont été présentés. Les rétro-simulations ont également été réalisées en cas de besoin, ce qui a permis de valider les concepts proposés par des preuves de concept.Dans le premier chapitre de cette thèse, un aperçu des techniques utilisées pour concevoir et fabriquer BM a été introduit dans les bandes de fréquences RF et millimétriques. Les techniques de miniaturisation et la technologie remplie d'air à faibles pertes ont également été présentées dans ce chapitre. Le deuxième chapitre a présenté en détail les propriétés physiques des nanotubes de carbone. En raison de ses propriétés exceptionnelles par rapport à d'autres matériaux, les CNT pourraient être considérés comme un matériel potentiel pour les applications électroniques de nouvelle génération afin de remplacer les structures classiques à base de métal. La modélisation analytique et électromagnétique des NTC a également été introduite dans ce chapitre, sur la base des travaux réalisés au laboratoire XLIM, Limoges, France. Grâce à ce modèle, les appareils basés sur CNT sont conçus plus facilement et avec précision. Dans le troisième chapitre, une description détaillée du guide d'ondes AFSIW basé sur la technologie CNT a été présentée. En outre, la technologie CNT utilisée pour concevoir le guide d'ondes AFSIW a également été appliquée à la conception de coupleurs 0 dB et 3 dB basés sur la topologie short-slot avec le même concept. Dans le quatrième chapitre, les blocs de conception AF-SW-SIW basés sur la technologie CNT conçue à 28 GHz pour les applications RF ont été étudiés et présentés. Enfin, le dernier chapitre était consacré à la description détaillée du guide d'ondes PAF-SW-SIW basé sur la technologie PCB conventionnelle conçue à 28 GHz pour les applications RF
The fifth-generation (5G) technology is known as the new generation of mobile data connectivity and wireless communication systems. It will provide breakneck broadband speeds and will have enough capacity to perform every function without a decrease in connection speed, no matter how many peoples are connecting into the network at the same time. One of the main benefits of 5G technology over the fourth-generation (4G) technology is not only its speed of delivery, between 10Gbps and 100Gbps, but also the latency. Specifically, the underemployed spectrum in the millimeter-wave frequency band (30-300 GHz) might be seen as a potentially profitable solution for achieving the aforementioned purposes. However, the development of next generation of mm-wave high performance circuits and systems is requiring low-cost fabrication process, small area, low consumption and 3D integration. In this context, CNT-based technology has attracted a lot of attention and could be considered as an excellent candidate for designing the mm-wave circuits due to its outstanding characteristics as compared to the other materials. Therefore, in this thesis, in the framework of the ANR project TRICOT, CNT will be considered as particular materials to design and develop a new 3D integration technology and concept dedicated to future applications in mm-wave interconnects and circuits.The work achieved in this PhD thesis was principally concentrated in two directions. The first one involves in the utilization of CNT technology to design the AF-SIW circuits for mm-wave applications in E-band. The second direction concerns the utilization of the slow-wave concept for the miniaturization of AF-SIW circuits designed for the RF applications based on both conventional PCB and CNT technologies. In both subjects, the proposed structures were detailed, then theoretical analyses were developed, and simulation and measurement results were presented. The retro-simulations were also realized when needed, which permitted to validate the proposed concepts by proofs of concept.In the first chapter of this thesis, an overview concerning the techniques utilized to design and fabricate BM was introduced in both RF and mm-wave frequency bands. Miniaturization techniques and low-loss air-filled technology were also presented in this chapter. The second chapter introduced in detail the physical properties of carbon nanotubes. Due to its outstanding properties as compared to other materials, CNTs could be considered as a potential material for next-generation electronics applications in order to replace classical metal-based structures. The analytical and electromagnetic modeling of CNTs were also introduced in this chapter, based on the work performed at XLIM laboratory, Limoges, France. Thanks to the bulk model, the CNT-based devices are designed more easily, and with accuracy. In the third chapter, a detailed description of AFSIW waveguide based on CNT technology was presented. Furthermore, the CNT technology used to design the AFSIW waveguide was also applied to the design of 0-dB and 3-dB couplers based on the short-slot topology with the same concept. In the fourth chapter, AF-SW-SIW design blocks based on CNT technology designed at 28 GHz for RF applications was investigated and presented. Finally, the last chapter was dedicated to the detailed description of PAF-SW-SIW waveguide based on conventional PCB technology designed at 28 GHz for RF applications

Un nouveau procédé de fabrication de guides d'ondes tridimensionnels a été développé en associant la technologie de dépôt de Tâ205 par "Dual Ion Beam Sputtering" DIBS et le procédé sol-gel pour réaliser des matériaux bas indice. Le facteur de forme spécifique des guides d'ondes monomodes réalisés induit une forte sensibilité à l'état de polarisation. Les performances en transmission, le confinement des modes guidés et la densité d'intégration sont alors fonction de l'état de polarisation de la lumière. A partir de ces observations, nous avons étudié un séparateur et un rotateur d'état de polarisation en optique intégrée. L'intégration simultanée de ces deux fonctions permettra la réalisation de composants insensibles à l'état de polarisation. Ces deux fonctions passives ont été optimisées numériquement, fabriquées et testées expérimentalement au laboratoire. Le fonctionnement de ces deux composants est basé sur le couplage de modes en optique guidée. Le taux d'extinction expérimental en sortie des voies du séparateur d'états de polarisation est de -17dB en TE et -10dB en TM pour [lambda] = 1,568 [micro]m. Le taux d'extinction à la polarisation expérimental obtenu pour le rotateur d'état de polarisation est de -16dB (90% d'efficacité de conversion) à [lambda] = 1,558 [micro]m. Cependant les pertes d'insertion de ces composants (-10dB) devront être diminuées pour des applications en télécommunication
A new buried ridge waveguide technology was developed associating the deposition of Ta205 by "Dual Ion Beam Sputtering" DIBS technology and the realization of low index materials by sol-gel process. The specific form factor of this vaveguide induces a strong polarisation dependency. The performances in transmission, the confinement of the guided modes and the optical integration density are function of the light polarization state. From these observations, an integrated polarization splitter and polarization rotator have been proposed to realize polarization independent integrated components. These two passive functions have been optimised, made and tested in the laboratory. The physical principle of these two components is based on mode coupling in integrated optics. The experimental extinction ratio of the integrated polarisation splitter is -17dB in TE and -10dB in TM at [lambda] = 1,568 [micro]m. The experimental extinction ratio of the integrated polarization rotator is -16dB (90 % of conversion efficiency) at [lambda] = 1,558 um. However, the strong insertion losses of these components (-10dB) need to be decreased for applications in telecommunication

Le nitrure de silicium est un matériau très utilisé en microélectronique et en optique intégrée du à l'excellente homogénéité et reproductibilité de son épaisseur et de son indice de réfraction. De plus, l'indice de réfraction élevé du nitrure de silicium est particulièrement intéressant pour les applications en biophotonique. En effet, ces dernières années les biocapteurs à champ évanescent ont démontré une augmentation de la sensibilité avec l'utilisation de guides d'onde plans à haut indice de réfraction. La sensibilité pourrait être encore améliorée en intégrant sur un même substrat l'ensemble des composants passifs et actifs (Lab-on-a-chip) qui composent le biocapteur à champ évanescent. L'intégration des différents composants optiques passe par la fabrication d'un guide d'onde plan dans le visible qui soit réalisé avec des procédés à basse température, faible épaisseur, faible perte et haut indice de réfraction. Même si les couches d'oxyde métallique (TiO[indice inférieur 2], Ta[indice inférieur 2]O[indice inférieur 5] par exemple), généralement utilisées pour ce type d'application, permettent d'obtenir de bonnes propriétés optiques, elles ne permettent pas d'atteindre la qualité des couches en nitrure de silicium notamment en termes de rugosité de surface pour de faibles épaisseurs. Dans le cadre de ces travaux de doctorat, les paramètres du guide d'onde sont optimisés pour une application utilisant des fluorophores à points quantiques émettant à 650 nm et excités avec une source laser à 532 nm. Une épaisseur de 80 nm est déterminée comme optimale pour l'excitation, la collection de la fluorescence et le couplage fibre-guide.Le développement d'un guide d'onde capable d'atteindre cette épaisseur et conservant des bonnes propriétés optiques est nécessaire. À notre connaissance aucun travail n'a été réalisé pour optimiser les pertes dans le visible des guides de nitrure de silicium, en fonction des paramètres du procédé PECVD. Dans ce travail de thèse, des guides d'onde sont fabriqués pour la première fois en utilisant le nitrure déposé par LF-PECVD (basse fréquence), et leurs performances sont comparées aux guides déposés par HF-PECVD (haute fréquence). Nous démontrons, en variant le débit des précurseurs, que l'absorption et les pertes en propagation des couches de nitrure sont plus faibles lorsque les dépôts sont faits par la technique LF-PECVD par rapport à la technique HF-PECVD. Cette différence s'explique probablement par le fait que le bombardement ionique, beaucoup plus important à basse fréquence qu'à haute fréquence, réduit la présence d'amas de silicium dans la couche, responsables de l'absorption dans le visible en plus de densifier les couches par enlèvement de l'hydrogène qui s'incorpore durant la déposition PECVD. Nous démontrons également que pour la technique LF-PECVD, les propriétés optiques des couches sont améliorées en utilisant une basse puissance pour la source r-f du plasma. En effet à haute puissance, le bombardement, très énergétique crée des défauts dans la couche et favorise la rupture des liaisons N-H plutôt que des liaisons Si-H. Finalement des guides d'onde plans de nitrure de silicium, avec une épaisseur de 80 nm et un indice de réfraction de 2, sont fabriqués et caractérisés. Des pertes de 0.1 dB/cm à 633 nm et 1.05 dB/cm à 532 nm sont obtenues et comparées avec les performances des autres matériaux.

Ce travail concerne des guides d'ondes semiconducteurs pour la génération et l'oscillation paramétrique. Dans de tels guides, la conversion de fréquence est accordée en phase grâce à un noyau multicouche biréfringent GaAs/AlOx. Cette technique d'accord de phase a déjà permis la réalisation de plusieurs interactions optiques non linéaires, telles que la génération de seconde harmonique et de différence de fréquence, ainsi que la fluorescence paramétrique. A présent, l'objectif est la réalisation d'un oscillateur paramétrique intégré semiconducteur. Notre travail dans cette direction a porté principalement sur deux points.
Le premier point est l'optimisation du processus de fabrication. Le principal inconvénient des guides d'ondes GaAs/AlOx sont les larges pertes par diffusion provoquées par la rugosité des couches oxydées. De telles pertes ont pénalisé l'efficacité de dispositifs nonlinéaires intégrés déjà démontrés et empêché jusqu'à présent l'accomplissement de l'oscillation paramétrique. Dans le but d'améliorer la transmission des guides, un nouveau schéma de fabrication et d'oxydation a été introduit, et les résultats obtenus ont été systématiquement vérifiés par des mesures des pertes. Celles-ci ont été réduites, de manière reproductible, à 0.4 cm-1.
Le deuxième point est la caractérisation nonlinéaire des guides. Nous avons démontré la fluorescence paramétrique avec une accordabilité entre 1.7 et 2.7 micron et une efficacité de conversion comparable à celle des meilleurs guides en niobate de lithium. En plus de cela, nous avons exploité les interactions de génération de seconde harmonique et d'amplification paramétrique pour étudier précisément le gain paramétrique dans nos guides. A la dégénérescence nous avons mesuré un coefficient de gain paramétrique ≈ 4 cm-1 W-1/2 et démontré une amplification paramétrique G = Ps(L)/Ps(0) - 1 ≈ 4.5%.
Ces résultats sont très encourageants pour la réalisation d'un oscillateur paramétrique intégré. Sur la base de nos valeurs de pertes et de gain paramétrique nous estimons que la réflectivité des facettes requise pour atteindre le seuil d'oscillation, dans une configuration doublement résonante, est inférieure à 90%. Un premier essai de fabrication de miroirs intégrés a été effectué et le travail dans cette direction se poursuit actuellement au sein du laboratoire MPQ.

Cette these rapporte les etudes menees en vue de realiser une source de lumiere coherente a la fois compacte et largement accordable basee sur un oscillateur parametrique optique integre (opoi) sur niobate de lithium inverse periodiquement (ppln). La non linearite du second ordre et la configuration de quasi accord de phase (qap) permettent, a partir d'une pompe a 0,8m, de generer une gamme de longueurs d'onde s'etendant de 1,3 a 2,5m. Un microguide permet de confiner les ondes afin d'atteindre de fortes efficacites de conversion a partir des faibles puissances de pompes continues accessibles avec une diode laser. Pour cela nous avons mis au point une nouvelle technique de realisation des guides d'onde : l'echange protonique doux (spe). Elle permet de respecter parfaitement a la fois la non linearite et l'organisation periodique du ppln. Sur les echantillons de 2cm realises de cette facon, nous avons pu mesurer en fluorescence parametrique des efficacites de conversion allant jusqu'a 215%. W 1. En normalisant cette efficacite par la longueur effective d'interaction de 1,3cm due a des inhomogeneites de temperature, cela correspond a une valeur de 128%. W 1. Cm 2 proche de la limite theorique (140%. W 1. Cm 2). Cette efficacite, qui constitue un record mondial, associee aux pertes mesurees (0,7db. Cm 1) permet d'esperer realiser un opoi presentant un seuil d'oscillation de l'ordre de 60mw. La realisation du composant a ete entravee par la mauvaise qualite du depot des miroirs ainsi que par le faible taux de couplage de la pompe dans le mode fondamental. Ces difficultes ne sont cependant pas insurmontables si l'on tient compte de la technologie dont nous disposons.

Nous avons elabore de nombreuses methodes de calcul des parametres de guides en couche mince mono et multi-couches, des guides rectangulaires, ainsi que des guides obtenus par implantation ionique. Pour le probleme inverse le developpement de lagrange a ete utilise. Nous avons propose des modeles differents pour la description de ces guides et nous avons introduit la notion de niveaux quasi discrets. Trois dispositifs experimentaux sont proposes pour l'obtention des indices de refraction des liquides, realisation d'un accord de phase entre les modes te et tm, et enfin pour l'observation directe du couplage de la lumiere entre deux guides identiques separes par une barriere optique. Un nouveau type de guidage neutronique est propose. Le caractere de la propagation guidee, ainsi que le confinement des neutrons dans les films minces metalliques ont ete presentes. Enfin une methode de mesure du deplacement de goos-hanchen de neutrons par l'interferometrie neutronique a ete proposee. Par cette methode les valeurs des moments magnetiques des materiaux non absorbants aux neutrons doivent pouvoir etre evaluees

Ce travail présente l'étude théorique et expérimentale de la transmission d'un signal analogique microonde par voie optique à la longueur d'onde 1. 3 micromètre. Après avoir rappelé les principales propriétés optiques et électriques d'un laser de type Fabry-Pérot GaInAsP/InP et d'une photodiode PIN sur substrat InP, nous démontrons théoriquement la possibilité d'améliorer le transfert en puissance de la liaison autour d'une fréquence donnée. Cette amélioration est obtenue par l'adaptation d'impédance des composants optoélectroniques, en utilisant à l'entrée et à la sortie une cellule composée d'éléments passifs réactifs. A l'issue de cette analyse, une première réalisation en éléments localisés est proposée à la fréquence de 1 GHz afin de valider notre approche théorique. Les performances des composants d'extrémité permettant d'envisager un fonctionnement hyperfréquence, nous étudions le comportement de la chaîne de transmission autour d'une fréquence centrale de 6 GHz. Pour ce faire, nous concevons des circuits monolithiques, sur substrat semi-isolant InP, intégrant chaque composant optoélectronique avec sa cellule d'adaptation. Les mesures obtenues sur les divers circuits discrets et intégrés montrent des résultats en bon accord avec les prévisions théoriques (amélioration de 11. 5 dB à 5. 6 GHz dans une bande de 600 MHz)