Phénomènes optiques du second ordre dans les microdisques de phosphure de gallium intégrés sur silicium – ORPHEUS

Malgré l’intérêt économique et technologique d’une intégration III-V sur silicium, la croissance de semiconducteurs III-V tel que le phosphure de gallium (GaP) sur un substrat non-polaire comme le silicium pose un réel challenge pour le développement de dispositifs photoniques efficaces. La nucléation du matériau III-V sur Si provoque l’apparition de domaines à l’orientation cristalline aléatoire, appelés domaines d’antiphase (APDs). Ces défauts cristallins induisent une forte rugosité et on leur prête souvent un comportement de centre de recombinaison ; conséquences néfastes pour la plupart des applications photoniques.
Mais le caractère aléatoire de la distribution d’orientation cristalline dans les couches de GaP/Si peut également représenter un atout majeur pour la réalisation de dispositifs photoniques non-linéaires. Il produit une relaxation de la condition d’accord de phase au second ordre connu sous le nom de quasi-accord de phase aléatoire (RQPM). Mais ce quasi-accord de phase n’est efficace que sous certaines conditions géométriques de la distribution d’APDs.
Le projet se découpe donc suivant quatre tâches qui ont pour but de briser les verroux technologiques pour la réalisation de dispositifs nonlinéaires GaP/Si basé sur le RQPM :
i) Sommes-nous capable de contrôler la distribution statistique d’APDs apparaissant dans les couches de GaP/Si afin d’optimiser la conversion de fréquence souhaitée ?
ii) Quelles sont les meilleures solutions à un couplage optique bi-fréquence de nos microdisques ?
iii) Quel est le facteur de qualité maximal de nos microdisques de GaP/Si, compte-tenu de la présence de défauts cristallins au sein du matériau et de la rugosité induite par ces mêmes défauts lors des process technologiques ?
iv) Peut-on obtenir un OPO efficace et à large bande dans des microdisques de GaP/Si ?

Contrôle des propriétés géométrique de la distribution de domaines d’antiphase dans le GaP/Si : L’équipe de recherche a développé un savoir-faire unique dans le contrôle de la nucléation et de l’évolution des domaines d’antiphase durant la croissance cristalline. Nous pouvons ainsi réaliser des couches de GaP/Si dont les APDs ont une taille moyenne voisine de 200nm, paramètre optimal pour l’observation du RQPM dans des dispositifs résonants.

Membranes de GaP/Si à rugosité sub-nanométrique : La génération de domaines d’antiphase contrôlés dans le GaP/Si provoque l’apparition d’un rugosité forte, néfaste au développement de composants. Nous avons développé un procédé de polissage mécano-chimique du GaP permettant d’atteindre des rugosités inférieures à 1nm RMS, compatible à la réalisation de microrésonateurs à haut facteur de qualité.

Proposition d’un schéma de couplage à deux longueurs d’onde pour les convertisseurs de fréquence à base de microdisques GaP :
Malgré les avancées dans le développement de convertisseurs de fréquences intégrés, le couplage au dispositif résonant reste un verrou technologique clé pour le développement de composants à haute efficacité. Nous avons donc comparé plusieurs configurations de couplage à un microrésonateur dont les dimensions sont optimisées pour un processus de conversion de fréquence spécifique, dans le cadre d’une architecture photonique 3D.

Proposition de conversion de fréquence utilisant les phonons-polaritons de surface dans les dispositifs photoniques à base de GaP : La conversion de fréquence au sein de la bande télécom par l’intermédiaire du couplage aux phonons optiques est l’une des voies exploratoires du projet ORPHEUS. Nous avons mis en évidence les règles de sélection spécifiques apparaissant lorsqu’un couplage fort apparait dans le couplage photon-phonon menant à l’apparition de quasi-particules appelées phonons-polaritons de surface dont le confinement au sein de dispositifs photonique est très spécifique.

Fin 2019, les premiers microdisques de GaP/Si bénéficiant à la fois du contrôle de la distribution d’APDs et du traitement de la rugosité induite ont été réalisés. Leur caractérisation va permettre tout d’abord d’évaluer les pertes résiduelles liées aux défauts structuraux, essentiellement en volume, pour les modes de galerie dans les domaines spectraux d’intérêt. Cette évaluation est cruciale pour décider de la voie d’exploration des phénomènes non-linéaires dans les microdisques GaP/Si. L’obtention de facteurs de qualité supérieurs à 5000 pour des microdisques présentant des APDs nous permettra de viser la démonstration d’un quasi-accord de phase aléatoire efficace dans ces structures et l’observation plus aisée de différents phénomènes non-linéaires dans ces systèmes, comme la différence de fréquence ou la conversion paramétrique descendante. Ces expériences ouvriront la voie à la voie à une recherche plus exploratoire sur l’intrication de photons sur puce. Si au contraire, les facteurs de qualités restent bas dans ces structures, nous nous concentrerons alors sur la fabrication de microdisques sans domaines d’antiphase et la conversion de fréquence assistée par phonons optiques. L’intégration des microdisques GaP/Si va se poursuivre en parallèle de la démonstration d’effet nonlinéaire avec tout d’abord l’exploration de la croissance sur substrats Si nominaux et SOI, le report des microdisques de GaP/Si sur substrat hôte et l’encapsulation des microdisques dans un circuit photonique 3D.

Journaux internationaux à comité de lecture :
1. Ida Lucci et al. Universal description of III-V/Si epitaxial growth processes, Phys. Rev. Mat., 2, 060401, 2018
2. Alejandro Lorenzo Ruiz et al. Dual wavelength evanescent coupler for nonlinear GaP-based microdisk resonators (submitted to OSA Continuum)

Conférences internationales:

1. Alejandro Lorenzo Ruiz et al. THz surface phonon polariton generation in GaP photonic waveguides, International conference on infrared, millimeter and THz waves, 2019, Paris, France
2. C. Cornet et al. Universal growth mechanism of III-V semiconductors on silicon for photonics and solar hydrogen production. SPb Photonic, optoelectronics & energy materials 2019, St Petersburg, Russia (invited)
3. Ida Lucci et al. A universal mechanism to describe III-V epitaxy on Si, 20th European molecular beam epitaxy Workshop, 2019, Lenggries, Germany
4. C. Cornet et al. GaP-based materials on silicon for photonics and energy, Smart NanoMaterials 2018: Advances, innovation and applications, 2018, Paris, France (invited)
5. Lin Chen et al. Photoluminescecnce of 2D-vertical In-rich APBs embedded in InGaP/SiGe/Si, 20th International conference on Molecular beam epitaxy, 2018 Shanghai, China
6. Lin Chen et al. Excitons bounded around In-rich antiphase boundaries, 34th international conference on the Physics of semiconductors, 2018, Montpellier, France

Communications nationales:
1. Alejandro Lorenzo Ruiz et al. Dual wavelength vertical coupling for second harmonic generation in GaP microdisks, 39ème journées nationales d’optique guidée, 2019, Palaiseau, France
2. C. Cornet et al. Universal growth mechanism of III-V/Si: using antiphase boundaries for devices, Réunion plénière du GDR Pulse, 2019, Clermont Ferrand, France
3. Alejandro Lorenzo Ruiz et al. , Slit waveguide coupling system for integrated microresonators, 16èmes journées Nano, micro et opto-électronique, 2018, Cap Esterel, France

La croissance colossale des flux de données et la sobriété énergétique repoussent les technologies de l’information dans leurs retranchements. L’ITRS (international technology roadmap for semiconductors) incite à présent les chercheurs à étudier des solutions de traitement de l’information hybrides ou différentes plateformes technologiques et différents paradigmes de calcul cohabitent. Dans ce cadre, les circuits photoniques intégrés (PICs) sont particulièrement prometteurs du fait de leur grande bande passante et de leur coût énergétique faible, mais aussi parce que la lumière constitue un medium intéressant pour le développement de paradigmes de calcul alternatifs comme le calcul quantique. La démonstration de briques photoniques élémentaires de ces PICs est de fait essentielle à l’essor de cette nouvelle technologie. Ces composants doivent présenter une intégrabilité à grande échelle et une compatibilité CMOS, mais ils doivent aussi apporter des solutions innovantes de traitement de l’information.

Loin du monde microscopique des PICs, les oscillateurs paramétriques optiques (OPO) ont depuis longtemps démontré leur intérêt comme convertisseur de longueur d’onde, amplificateurs ou sources de photons intriqués. La miniaturisation de ces dispositifs est aujourd’hui une thématique de recherche particulièrement vivante comme le montrent les récentes démonstrations de microrésonateurs à base de LiNbO3 intégrés sur silicium ou de dispositifs III-V nonlinéaires. La plateforme GaP/Si présente de nombreux avantages dans ce domaine: GaP présente une plus grande susceptibilité du 2nd ordre que le LiNbO3 et ses propriétés optiques autorisent une plus grande compacité des dispositifs et une gamme spectrale étendue. Le GaP peut être intégré sur Si de manière monolithique (une expertise du laboratoire FOTON) et bénéficie de la maturité des procédés technologiques III-V, garantissant une intégration bas coût et à grande échelle. Qui plus est, Les dispositifs photoniques GaP/Si présentent des propriétés optiques telles que des mécanismes de quasi-accord de phase alternatifs (e.g. aléatoire) peuvent être utilisés pour réaliser une conversion de fréquence large bande. L’origine de ces propriétés uniques n’est autre que l’apparition de défauts structuraux appelés domaines d’antiphase (APDs) lors de la croissance de GaP sur Si. Très peu de travaux ont été rapportés sur les processus nonlinéaires dans des dispositifs photoniques à base de GaP et l’équipe du projet ORPHEUS est la seule à fabriquer des microdisques GaP/Si.

L’objectif du projet ORPHEUS est donc la démonstration d’un OPO large bande basé sur nos microdisques à base de GaP monolithique sur Si. Différent régimes de fonctionnement de l’OPO seront testés dans le cadre du projet :
- La génération d’un signal et d’un idler autour de 1550nm, un pré requis pour la conversion de longueur d’onde télecom et l’intrication de photons.
- La génération d’un signal à 1550nm à partir d’une pompe dans la bande datacom (850nm) pour explorer les possibilités de transfert optique intra-inter-puce.
- La configuration de diffusion Raman stimulée où pompe et signal sont tous deux dans la bande télécom.

Pour ce faire, ORPHEUS s’organise en 4 parties adressant chacune un verrou scientifique à la base du projet :
i) Sommes-nous capable de contrôler la distribution statistique d’APDs apparaissant dans les couches de GaP/Si?
ii) Quelles sont les meilleures solutions à un couplage optique bi-fréquence de nos microdisques ?
iii) Quel est le facteur de qualité maximale de nos microdisques de GaP/Si ?
iv) Peut on obtenir un OPO efficace et à large bande dans des microdisques de GaP/Si ?

La diversité scientifique de ces questions souligne le caractère multidisciplinaire du projet, à la frontière entre science des matériaux, technologie et optique avancée. L’originalité du projet ORPHEUS ouvrira ainsi progressivement la voie au développement d’architectures photoniques complexes à base de GaP/Si,