Intégration de guides d'onde et microrésonateurs à modes de galerie par assemblage à puce retournée

Ultra-high quality-factor whispering gallery microresonators attracted considerable interest
in the scientific community thanks to their potential applications in low-power nonlinear
optics and ultra-sensitive label-free biosensing. Integrating resonators with on-chip waveguides
is one of the main technological challenges to overcome before large scale commercial
applications can emerge from research.
This Master's thesis presents a new solution for integrating SiO2 waveguides and microresonators.
Resonators and waveguides are fabricated on separated wafers, and are then
assembled using thermocompression flip-chip bonding with sub-micron placement accuracy.
The proposed waveguide design consists of suspended channel waveguides that are etched
out of a thermal oxide film and released by underetching the silicon substrate. Design and
fabrication of the devices are optimized to reduce optical losses and obtain critical coupling.
Achieving this coupling regime poses stringent requirements on alignment and coupling distance,
and therefore a thermocompression process for bonding thin (hundreds of nanometers)
gold layers has been developed and characterized.
The necessity to use anchor structures to link the suspended waveguides to the substrate
motivated the development of a mathematical model for predicting losses in those anchors
and to model how they affect the modal distribution in the waveguide.
Characterization propagation loss sources allowed to assess that the combined effect of
sidewall roughness and anchor mode scambling is preventing adequate signal transmission
through the waveguide. Together with flip-chip alignment imprecision, this factor was identified
as a necessary improvement for future devices.

Résumé

Les microrésonateurs à modes de galerie ont suscité l'intérêt de la communauté scientifique
au cours des dernières années en raison de leur potentiel en optique non linéaire à faible
puissance et pour la réalisation de biocapteurs intégrés ultrasensibles. La difficulté de coupler
les résonateurs à facteur de qualité ultra-élevé avec des guides d'onde intégrés sur puce a été
établie comme l'un des principaux défis technologiques à surmonter avant d'envisager leur
déploiement commercial à grande échelle.
Ce mémoire de maîtrise fait l'étude d'une solution permettant de coupler des guides
d'onde intégrés et des microrésonateurs à facteur de qualité ultra-élevés. La solution proposée
consiste à fabriquer les résonateurs et les guides d'onde séparément et à les assembler par
un procédé de soudure à puce retournée (flip-chip) avec une précision d'alignement sousmicrométrique.
Un procédé de soudure par thermocompression permettant de lier des couches
d'or de quelques centaines de nanomètres d'épaisseur a été développé.
Les guides d'onde proposés sont des canaux suspendus en SiO2, de section transverse
rectangulaire. Ils sont définis à même la couche d'oxyde thermique d'une gaufre de silicium
par photolithographie et gravure ionique réactive (RIE). Leur design et leur fabrication sont
optimisés afin de minimiser les pertes et d'obtenir un couplage critique avec le microrésonateur.
La nécessité d'ancrer les guides d'onde suspendus au substrat a motivé l'élaboration
d'un formalisme mathématique permettant de prédire les pertes causées par ces ancrages
et d'étudier leur impact sur la répartition de l'énergie dans les modes des guides d'onde.
L'effet de la propagation dans l'ancrage est décomposé sur la base des modes guidés afin
de définir une matrice de propagation. L'effet combiné d'une série d'ancrages et de guides
peut alors être obtenu en enchaînant les produits matriciels. Ce formalisme permet également
de déduire une série de règles de design simples permettant d'optimiser la transmission des
guides d'onde.
La caractérisation des différentes sources de pertes a permis de déterminer que l'effet
combiné de la rugosité et des ancrages limite la performance des guides d'onde et empêche
de mesurer le signal transmis. La réduction des pertes optiques et l'augmentation de la précision
d'alignement ont été identifiées comme des améliorations nécessaires pour les dispositifs
futurs.