GeSbSe as a Platform for Integrated Nonlinear Photonics

Le domaine émergent de la photonique quantique nécessite le développement de composantes telles que les sources de photons uniques ou les sources d’intrication. Ces sources peuvent être réalisées dans des guides d’onde et résonateurs sur puce, exploitant les propriétés optiques non-linéaires avantageuses de différents matériaux. Les verres de chalcogénure, incluant le Ge2Sb2Se5 (GSSe), sont des matériaux à changement de phase ayant un potentiel démontré en applications d’optique non-linéaire grâce à leurs faibles pertes et leur non-linéarité de troisième ordre élevée. Par contre, la famille des chalcogénures démontre une grande vari-abilité en terme de ces propriétés, poussant la caractérisation de compositions diversifiées. L’objectif principal de ce mémoire est d’évaluer la pertinence du Ge2Sb2Se5 dans ce contexte afin de permettre le futur développement de composantes non-linéaires plus complexes. En premier lieu, des couches minces de Ge2Sb2Se5 (GSSe) sont déposées par pulvérisation et recuites thermiquement. La composition matérielle de ces films est évaluée par spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) et une déviation stœchiométrique pouvant atteindre près de 11% est mesurée. Une mesure d’ellipsométrie permet de trouver un indice de réfraction élevé (n0 ≈ 2.9) et des pertes négligeables à une longueur d’onde de 1550 nm. La technique du z-scan est utilisée pour trouver un indice non-linéaire (n2 ≈ 2.9 × 10−17 m2/W) et de l’absorption à deux photons (β2PA ≈ 7.2 × 10−11 m/W) élevés, donnant un facteur de mérite comparable au silicium. Les couches minces recuites ont une réduction au niveau de ces deux propriétés (n2 ≈ 0.81 × 10−17 m2/W, β2PA ≈ 1.89 × 10−11 m/W), plus importante pour l’absorption, améliorant ainsi légèrement le facteur de mérite et augmentant le seuil de dommage du matériau. En second lieu, des guides d’onde et micro-résonateurs en anneau sont fabriqués à base de GSSe sur substrat de silicium, dans l’objectif de démontrer la réalisabilité d’expériences d’optique non-linéaire sur cette plateforme. Des guides d’ondes sont fabriqués ayant des pertes de propagation de l’ordre de ≈ 3.6 dB/mm. La résonance est bien observée dans des micro-anneaux couplés à des guides d’onde de GSSe. Finalement, une expérience préliminaire de mélange à quatre ondes est réalisée. Ensemble, ces résultats servent à démontrer le potentiel du GSSe pour la fabrication future de sources de photons.