Photonic micromachined devices : design, fabrication and experiment

par Weiming Zhu

Thèse de doctorat en Génie électrique, électronique, photonique et systèmes

Sous la direction de Tarik Bourouina.

Le président du jury était Yamin Leprince-Wang.

Le jury était composé de Tarik Bourouina, Ai-Qun Liu, Bassam Saadany.

Les rapporteurs étaient Yong Chen, Christophe Gorecki.

  • Titre traduit

    Composants photoniques micro-usinés : conception, fabrication et expérimentation


  • Résumé

    Dans cette thèse, trois approches différentes ont été étudiées pour des dispositifs photoniques accordables basés sur la technologie MEMS. Premièrement, la structure à double barrière optique a été étudiée numériquement et expérimentalement, sous forme de commutateur thermo-optique, polariseur commutable et de jonctions tunnel optiques intégrées en tant que système WDM reconfigurable. Le dispositif est fabriqué sur substrat silicium SOI utilisant le procédé de gravure profonde. Les dispositifs optiques tunnel sont contrôlés électro-thermiquement, le temps de commutation mesuré correspondant est de plusieurs microsecondes. Deuxièmement, des structures de propagation de lumière lente à base de méta matériaux constitués de cellules unitaires sous forme d’anneaux fendus couplés, sont numériquement analysés. Les résultats des simulations montrent que la conception de SRRs (Split Ring Resonator) couplés améliore l'accordabilité de la permittivité et de la perméabilité effectives de 70 et 200 fois, respectivement. On peut trouver des applications potentielles dans le stockage de données, des circuits photoniques, les communications optiques et les biocapteurs. Enfin, un méta matériau accordable magnétique est démontré en utilisant la technologie MEMS. Il démontre une approche unique pour contrôler les propriétés optiques des méta matériaux par l'évolution des dimensions géométriques et les formes des cellules unitaires


  • Résumé

    In this PhD project, three different approaches have been studied for tunable photonic devices based on MEMS technology. First, the optical double barrier structure has been numerically studied and experimentally demonstrated as the thermo-optical switch, switchable polarizer and optical tunneling junctions integrated as reconfigurable WDM system. Second, the slow light structure using metamaterial with coupled split ring unit cells is numerically analyzed. Finally, a tunable magnetic metamaterial is demonstrated using MEMS technology. The first major work is to use the optical tunneling effects to design MEMS based photonic devices. Three different tunable photonic devices has been demonstrated using thermo-optical tuning. a thermo-optic switch is realized using MEMS technology. The device is fabricated on silicon-on-isolator wafer using deep etching process. The transmission of the optical switch is controlled by the optical length of the central rib which is thermally controlled by the external pumping current. In experiment, it measures a switching speed of 1 us and an extinction ratio of 30 dB. A switchable polarizer is demonstrated using the double optical barrier structure which transmit the light with one polarization state and filter out the others. In experiment it measures a PER of lager than 23 dB when the pumping current is above 60mA. The switching time is shorter than 125 us which is limited by the polarization analyzer used in the experiment. A MEMS reconfigurable add-drop multiplexer is realized by applied the optical tunneling structure to the ribbed waveguide. The tunable add-drop multiplexer is based on Y-shape optical double barriers tunneling junction which are realized by MEMS technology


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