Optimisation de cristaux photoniques pour l'optique non linéaire
Institution:
Paris 11Disciplines:
Directors:
Abstract EN:
This thesis is a contribution to the theoretical and experimental studies on photonic crystals for use in non-linear optics. Photonic crystals are artificial materials exhibiting periodic changes of their refractive index in one, two or three directions in space, with lattice dimensions of the order of the light wavelength, which offer efficient ways of moulding light propagation. The aim of this PhD thesis is to demonstrate that controlling the physical parameters of these structures (periodicity, pattern, filling factor. . . ) makes feasible the engineering of the dispersion and can be advantageously used to enhance nonlinear interactions between light and matter. An important modelling work has been carried out to determine the electromagnetic field distribution in 1D limited structures. We have defined an effective global index which makes easier the phase matching condition determination, necessary for efficient second order non linear interactions. Modelling has been extended to planar structures (1. 5D) and has allowed structuring a layer of GaN deposited on sapphire substrate for the exaltation of second harmonic generation : a first-step realization is presented. Moreover, we report a non-destructive characterization of planar two-dimensional (2D) photonic crystals made in silicon on insulator (SOI) wafers using ellipsometric or Fourier transformed infrared (FTIR) spectroscopy. These surface coupling techniques have enabled us to draw experimentally dispersion curves. Indeed, boundary conditions at the surface and at the border of the etched area of the slab, allow the excitation of guided modes via diffraction phenomena and the determination of the structure band diagram above and below the light cone. These non-destructive techniques, usable for non-active materials, allow fast characterization of technical processes and the location in reciprocal space of areas with unique dispersion properties to determine the best experimental conditions for observing nonlinear effects. This will be done in SOI when the holes are filled by a non-linear material (doped polymer). At large wavelengths, devices behave as homogeneous isotropic materials which can be characterized by an effective filling factor : experimental results using both methods give coherent results : The hole filling can then be checked by the methods developed here.
Abstract FR:
Ce travail de thèse constitue une contribution théorique et expérimentale aux études sur les cristaux photoniques et leur utilisation en optique non linéaire. Les cristaux photoniques sont des matériaux artificiels présentant des périodicités d'indice de réfraction à l'échelle de la longueur d'onde dans une, deux ou trois directions de l'espace. En contrôlant les paramètres physiques de ces structures (périodicité, motifs, facteur de remplissage. . . ), il est possible de réaliser une véritable ingénierie des propriétés dispersives de la matière. Dans ce travail, nous étudions les propriétés de dispersion anormales et uniques de ces cristaux photoniques afin de les utiliser dans des structures en matériaux présentant de grandes non linéarités optiques. Un important travail de modélisation pour déterminer la distribution du champ électromagnétique dans des structures 1D d’épaisseur limitée a été effectué. Nous avons défini un indice effectif global à partir duquel on peut raisonner facilement pour déterminer les conditions d’accord de phase nécessaires à l'obtention d'interactions non linéaires du second ordre efficaces. Une généralisation de ces calculs à des structures planaires (1,5D) nous a permis de dimensionner une structure guidante gravée dans une couche de GaN déposée sur saphir, matériau très prometteur, pour l'exaltation de la génération de la seconde harmonique : une ébauche de réalisation est présentée. D'autre part, nous avons caractérisé par des techniques non destructives de couplage par la surface, des cristaux photoniques 2D réalisés dans des substrats de SOI. Les techniques utilisées sont l’ellipsométrie spectroscopique et la spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier (s-FTIR). ). Aux grandes longueurs d’ondes nous avons observé que ces cristaux photoniques se comportaient comme des matériaux homogènes isotropes dans le plan des couches, ce qui nous a permis de leur affecter, avec une grande précision, un indice moyen, d'où il est possible de remonter au facteur de remplissage : ces méthodes pourront donc être utilisées pour vérifier le remplissage des trous de telles structures par des matériaux optiquement actifs. Elles nous ont également permis de tracer des courbes de dispersion expérimentalement. Les résultats obtenus et l’analyse des conditions aux limites zone gravée/zone non gravée ont de plus permis de mettre en évidence les modes des cristaux photoniques situés sous le cône de lumière et supposés jusqu’ici invisibles en optique diffractive. Les techniques de couplage par la surface, précises et non destructives mises au point permettent donc de déterminer les conditions expérimentales les meilleures pour observer des effets non linéaires renforcés ainsi qu’une caractérisation macroscopique in-situ de cristaux photoniques lors d’un procès de fabrication ou de modification d’un des matériaux constitutifs.