Jury :

• Daniel Dolfi, Thales Group – Rapporteur
• Giacomo Scalari, ETH Zurich – Rapporteur
• Delphine Marris-Morini, C2N – Examinatrice
• Adel Bousseksou, C2N – Examinateur
• Stefano Barbieri, IEMN – Directeur de thèse
• Emilien Peytavit, IEMN – Co-directeur de thèse

Summary:

Dans cette thèse, effectuée au sein de l’équipe Photonique THz du Laboratoire IEMN, j’ai étudié expérimentalement la réalisation un modulateur électro-optique rapide à base de GaAs pour la gamme du moyen infrarouge (MIR,3-12 μm). L’objectif est de démontrer la faisabilité d’un dispositif entièrement intégré, compatible avec les plateformes photoniques MIR en cours de développement. Le dispositif visé est un modulateur à ondes progressives basé sur un guide d’onde MIR monomode intégré dans une ligne de transmission microonde. Le guide d’onde se base sur un cœur en GaAs basse température (GaAs-BT) et sur des couches de confinement de Al0.52In0.48P. Dans un premier temps, par simulation FDTD, j’ai conçu et optimisé, dans la gamme 8-10 µm, deux modulateurs basés sur une ligne microonde microruban et une ligne coplanaire. Ensuite, j’ai caractérisé expérimentalement les guides d’onde MIR en mettant en place un banc optique dédié. Je démontre qu’en contrôlant la rugosité des parois latérales du guide, le GaAs-BT permet d’atteindre des pertes de propagation inférieures à 1 dB/cm. Enfin, en utilisant ces guides d’onde, j’ai effectué la première caractérisation à basse fréquence d’un modulateur basé sur une ligne microonde coplanaire.
Mots clés : modulateur moyen-infrarouge, effet électro-optique, Guide d’onde GaAs

Abstract:

Waveguides based on low-temperature grown GaAs : towards an integrated, mid-infrared electro-optic modulator.
In this thesis, that took place in the THz Photonics group at IEMN Laboratory, I studied experimentally the possibility to realize a fast electro-optic modulator based on GaAs and operating in the mid-infrared range (MIR, 3-12 µm). The objective is to demonstrate the feasibility of a fully integrated device compatible with the MIR photonic platforms that are currently under development. The targeted device is a travelling-wave modulator exploiting a MIR single-mode waveguide integrated in a microwave transmission line. The waveguide is based on a low-temperature grown GaAs (LT-GaAs) core and lattice-matched Al0.52In0.48P as low-index cladding. First, through FDTD simulations, I designed and optimized, for the 8-10 µm range, two modulators based on a microstrip and a coplanar microwave line. Next, I characterized experimentally the MIR waveguides by setting up a dedicated optical bench. With this setup, I show that by controlling the waveguide sidewall roughness, the use of LT-GaAs allows reaching state-of-the art propagation losses below 1 dB/cm. Finally, using these waveguides, I performed the first low-frequency characterization of a modulator based on a coplanar microwave line.
Keywords : mid-infrared modulator, electro-optic effect, GaAs waveguide