Amplifier waveguides in rare earth doped porous silicon
AMPLIFICATION OPTIQUE DANS DES GUIDES D'ONDE EN
SILICIUM POREUX DOPÉS AUX TERRES RARES
Résumé
This manuscript is divided in five chapters dealing with the different aspects of this work.
In the first chapter we describe the porous silicon characteristics, its realisation and the various
parameters which have to be controlled. Then, the state of art of Erbium Doped Optical
Amplifiers based on porous silicon as well as on other materials will be presented in details.
In chapter 2, the experimental conditions for the realisation of porous silicon based planar
and channel optical waveguides are presented. The experimental conditions for the doping and
codoping with rare earth elements as well as those used for thermally activated these elements
are given. The techniques for the refractive index measurement, the photoluminescence (PL) and
time resolved PL are presented. Near field method and optical losses and gain methods are also
described.
In the third chapter, the concentration profiles for rare earth ions in planar and channel waveguides
are presented and discussed. Then, a particular attention is given to the refractive index
variation as a function of the anodisation, doping and thermal treatments conditions.
Chapter 4 is dedicated to the photoluminescence and time resolved PL study of doped and co
doped waveguides in order to investigate the Er activation and the 4I13/2 excited level lifetime.
The results are used to optimise the Yb concentration in the case of codoping and to discuss the
excitation mechanisms of Erbium ions. The concentration of activated ions in the Waveguides
was determined.
In chapter 5, we describe and discuss the near field and loss measurements for the two types
of waveguides. The on/off gain, defined as the ratio between the out put light signal with and
without the 980 nm pump, is measured in the case of planar waveguides codoped with various
Ytterbium concentrations and for channel waveguide codoped with a concentration ratio equal
to 3. The gain change as a function of the signal wavelength is also presented and discussed.
In the first chapter we describe the porous silicon characteristics, its realisation and the various
parameters which have to be controlled. Then, the state of art of Erbium Doped Optical
Amplifiers based on porous silicon as well as on other materials will be presented in details.
In chapter 2, the experimental conditions for the realisation of porous silicon based planar
and channel optical waveguides are presented. The experimental conditions for the doping and
codoping with rare earth elements as well as those used for thermally activated these elements
are given. The techniques for the refractive index measurement, the photoluminescence (PL) and
time resolved PL are presented. Near field method and optical losses and gain methods are also
described.
In the third chapter, the concentration profiles for rare earth ions in planar and channel waveguides
are presented and discussed. Then, a particular attention is given to the refractive index
variation as a function of the anodisation, doping and thermal treatments conditions.
Chapter 4 is dedicated to the photoluminescence and time resolved PL study of doped and co
doped waveguides in order to investigate the Er activation and the 4I13/2 excited level lifetime.
The results are used to optimise the Yb concentration in the case of codoping and to discuss the
excitation mechanisms of Erbium ions. The concentration of activated ions in the Waveguides
was determined.
In chapter 5, we describe and discuss the near field and loss measurements for the two types
of waveguides. The on/off gain, defined as the ratio between the out put light signal with and
without the 980 nm pump, is measured in the case of planar waveguides codoped with various
Ytterbium concentrations and for channel waveguide codoped with a concentration ratio equal
to 3. The gain change as a function of the signal wavelength is also presented and discussed.
Ce manuscrit, divisé en cinq chapitres, présente les différents aspects de ce travail. Le premier
chapitre décrit le silicium poreux et sa réalisation, les différents paramètres de formation,
ses propriétés structurales. Les propriétés de luminescence des ces ions (Erbium et Ytterbium)
sont exposées par la suite. Enfin, un état de l'art est détaillé sur les amplificateurs optiques dopés
Erbium déjà réalisés à partir de silicium poreux ainsi qu'à partir d'autres matériaux.
Le deuxième chapitre présente les conditions expérimentales d'élaboration des guides plans et
canaux en silicium poreux et les conditions de dopage et/ou codopage ainsi que les traitements
thermiques. Les méthodes de mesures de l'indice de réfraction, la photoluminescence et la photoluminescence
résolue en temps sont présentées. Les observations en champ proche et les mesures
des pertes ainsi que les mesures de gain optique sont également exposées.
Dans le troisième chapitre, les profils de concentration des ions terres rares pour les guides plans
et canaux sont présentés et discutés. Dans ce chapitre, un accent particulier estmis sur la variation
de l'indice de réfraction en fonction des conditions d'anodisation de dopage et des traitements
thermiques.
Le quatrième chapitre est consacré à l'étude des guides dopés et codopés par photoluminescence
et photoluminescence résolue en temps pour montrer l'activation des ions Erbium ainsi
que la détermination de la durée de vie du niveau métastable 4I13/2. Ces résultats vont nous
permettre d'optimiser la meilleure concentration d'Ytterbium pour le codopage ainsi que d'expliquer
les mécanismes d'excitation des ions Erbium. La concentration des ions Erbium actifs
dans les guides sera déterminée.
Le dernier chapitre décrit les observations en champ proche et les mesures des pertes pour les
guides ainsi réalisés. Le gain on/off dans les guides, définie comme étant le rapport de l'intensité
lumineuse du sortie avec pompage à 980 nm sur la puissance du signal de sortie sans pompage, a
été mesuré et exploité pour les guides codopés avec différentes concentrations d'Ytterbium. Les
variations du gain en fonction de la longueur d'onde sont présentées.
chapitre décrit le silicium poreux et sa réalisation, les différents paramètres de formation,
ses propriétés structurales. Les propriétés de luminescence des ces ions (Erbium et Ytterbium)
sont exposées par la suite. Enfin, un état de l'art est détaillé sur les amplificateurs optiques dopés
Erbium déjà réalisés à partir de silicium poreux ainsi qu'à partir d'autres matériaux.
Le deuxième chapitre présente les conditions expérimentales d'élaboration des guides plans et
canaux en silicium poreux et les conditions de dopage et/ou codopage ainsi que les traitements
thermiques. Les méthodes de mesures de l'indice de réfraction, la photoluminescence et la photoluminescence
résolue en temps sont présentées. Les observations en champ proche et les mesures
des pertes ainsi que les mesures de gain optique sont également exposées.
Dans le troisième chapitre, les profils de concentration des ions terres rares pour les guides plans
et canaux sont présentés et discutés. Dans ce chapitre, un accent particulier estmis sur la variation
de l'indice de réfraction en fonction des conditions d'anodisation de dopage et des traitements
thermiques.
Le quatrième chapitre est consacré à l'étude des guides dopés et codopés par photoluminescence
et photoluminescence résolue en temps pour montrer l'activation des ions Erbium ainsi
que la détermination de la durée de vie du niveau métastable 4I13/2. Ces résultats vont nous
permettre d'optimiser la meilleure concentration d'Ytterbium pour le codopage ainsi que d'expliquer
les mécanismes d'excitation des ions Erbium. La concentration des ions Erbium actifs
dans les guides sera déterminée.
Le dernier chapitre décrit les observations en champ proche et les mesures des pertes pour les
guides ainsi réalisés. Le gain on/off dans les guides, définie comme étant le rapport de l'intensité
lumineuse du sortie avec pompage à 980 nm sur la puissance du signal de sortie sans pompage, a
été mesuré et exploité pour les guides codopés avec différentes concentrations d'Ytterbium. Les
variations du gain en fonction de la longueur d'onde sont présentées.
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