Nanophotonique Silicium Laboratoire Silicium Nanoélectronique Photonique et Structures Département de Recherche Fondamentale sur la Matière Condensée CEA/Grenoble

Nanophotonique ?! Nanoélectronique pourrait….devrait….devra… utiliser les photons ?! Aujourd’hui les puces proviennent de fondeurs tels que IBM ou INTEL Guide d'onde : 2.4 db/mm (IBM) Modulateur Thermo-optic (IBM) Electrically pumped hybrid AlGaInAs-silicon evanescent laser A.W.Fang et al., 2 October 2006 Optics Express (Intel - UCSB)

Nanophotonique Silicium Contrôler l'émission de lumière, pour réaliser des dispositifs ... contrôler sa localisation, Si SiO2 Nos objectifs & notre approche

Un matériau de choix, le Silicium sur Isolant (SOI) nSi=3.45 nair=1 nSiO2=1.48 SiO2 SiO 2 c_ Si (44nm) interfaces Guidage par réflexion totale interne Si SiO2 Crystaline QW

Le SOI et les Cristaux Photoniques G K M Bande interdite photonique Modes couplés à l’espace libre Modes non couplés à l’espace libre

CEA : 16000 p. , 9 research centers 4 poles Nucléaire Militaire Energie Nucléaire Recherche Technologique Recherche Fondamentale DSV DSM 2500 p.(1700 CEA) GRENOBLE, 400p. Centre de Recherche Grenoble GRENOBLE, 400p. GRENOBLE, 900p.

Partenaires Industriels MINATEC Centre 45 000 m² Recherche appliquée Léti Partenaires Industriels Recherche DRFMC+ INPG + Léti Recherche DRFMC+ CNRS Maison des Micro-Nano Technologies Enseignement INPG

Le Laboratoire SiNaPS / DRFMC nanostructures Si 20 nm nanophotonique Si jusqu'à la réalisation de dispositifs electro-optiques MINATEC center

Cavités à grands Q V~ 0.6 (l/n)3 ~ 0.052 µm3 Q > 60.000 Collaboration IOTA & LTM N = 3 tapered section SiO2 cavity Si mirror 500 nm N=7 Q > 60.000 V~ 0.6 (l/n)3 ~ 0.052 µm3 P.Velha et al, Appl. Phys. Lett., 89 (2006) P.Velha et al, New Journ. Phys., 8 (2006)

Add drop Collaboration IMEP & LETI Q = 35.000 @ l = 1606 nm (8µm) A.Morand, et al., Optics Express, 14 (26), 12814 (2006).

Microrésonateurs à très grand Q Collaboration IMEP & LKB µdisque SiO2 + dépot SRO:Er + fusion laser CO2 µtore SiO2 Q = 103 - 105 F = 15 µm Q > 108 J. Verbert et al., Appl. Phys. Lett. 86, 1 (2005) J. Verbert et al., Eur. Phys. J. Appl. Phys. 34 (2006)

Localisation des porteurs et émission à l'ambiante 3D box B. Cluzel, Appl. Phys. Lett., 88 (2006) La localisation sans confinement quantique permet une émission à 1.145µm à l'ambiante Localization above quantum confinement B. Cluzel, Appl. Phys. Lett., 89 (2006)

Structure à cristaux photoniques à modes lents Augmentation de l'extraction de 70% Plus de 35% de la lumière est extraite verticalement Spot d'excitation et de collection = 2 µm Reduced frequency (a / ) Wave vector in the first Brillouin zone TE TM Light cone Γ M K a = 320 nm a = 640 nm Expliquer la PL localisée M. Zelsmann, Appl. Phys. Lett. 83 (13), 2542 (2003)

Spectroscopie en champ proche Collaboration LPUB SNOM Échantillon Objectif de collection Objectif d’injection Facettes clivées 0.4 µm Image MEB B. Cluzel, Appl. Phys. Lett. 88, (2006) Far field waveguided plus extra near field tip at the same time B. Cluzel, J. Appl. Phys. 98, (2005) B. Cluzel, Appl. Phys. Lett. 85 (2004)

IT(l) down up z >100nm z =4nm NOEMS ~100nm SiO2 Tip up Tip down Collaboration LPUB & LTM & IOTA Tip up z >100nm ~100nm SiO2 Light in IT(l) down z =4nm Near-Field Interaction Tip down up Nanocavité accordable en champ proche Accord sur ~ 1nm Sans dégradation de Q

Collaborations http://www-drfmc.cea.fr/ thomas.charvolin@cea.fr emmanuel.hadji@cea.fr

Du 2D au 3D : interaction 1D + 2D Collaboration LEOM & IEF + = lower Q SOI Couple 2D and 1D & tune spacer thickness higher Q E. Hadji, Proc. SPIE - Phot. West 2005 X. Li, Appl. Phys. Lett 88, 091122 (2006)

Cristaux photoniques bi-dimensionnels : diagramme de bandes