Optical near-field characterization of Slow-Bloch Mode based photonic crystal devices

par Thanh Phong Vo

Thèse de doctorat en Nanophotonique

Sous la direction de Anne-Ségolène Callard.

Soutenue le 06-09-2011

à l'Ecully, Ecole centrale de Lyon , dans le cadre de École Doctorale des Matériaux (Lyon) .

Le président du jury était Isabelle Ledoux-Rak.

Le jury était composé de Christian Seassal, Thierry Grosjean.

Les rapporteurs étaient Yannick De Wilde, Olivier Gauthier-Lafaye.

  • Titre traduit

    Nanopointes actives pour la nano-photonique


  • Résumé

    Les structures à cristaux photoniques bidimentionnels ont permis la fabrication d'une large variété de composants nanophotoniques. En particulier, dans les PC parfaits, la densité locale d'états optiques se trouve exacerbée au niveau des points de symétrie du diagramme de bande. Près de ces points, où la vitesse de groupe tend vers zéro, la faible courbure de bande courbure de bande donne lieu à des modes stationnaires, dits de lumière "lente" (ou modes de Bloch lents). Les propriétés de la lumière lente en font de bons candidats pour améliorer l'effet Purcell, pour produire des effets non-linéaires ou pour concevoir des lasers à faible seuil. Parmi ces modes, les modes de Bloch lent émettant dans la direction verticale, c'est à dire situé au niveau du point Γ de la zone de Brillouin, sont particulièrement intéressants pour intégrer des architectures 2D avec de l'optique en espace libre. En particulier, certains de ces modes ont permis la réalisation d'émission laser dans la 3e direction avec des propriétés de polarisation particulières. D'autres applications prometteuses concernent le désordre : en introduisant un désordre aléatoire mais contrôlé dans la structure photonique, il est possible d'induire une transition entre le mode de Bloch lent de la structure ordonnée vers un mode localisé par le désordre, de type localisation d'Anderson dans une structure faiblement désordonnée.Dans cette thèse, les modes de Bloch lents ont été étudiés et caractérisés en Microscopie optique en champ proche. Nous nous sommes concentrés sur les modes en Gamma de la structure graphite. Le SNOM a permis de visualiser la composante évanescente du mode avec une résolution spatiale inférieure à la limite de diffraction. Dans ce travail, nous avons montré que le champ lointain et de l'image en champ proche du mode à la surface du cristal photonique sont différentes et que seules les mesures en champ proche permettent de rendre compte du mode réel à l'intérieur de la membrane de cristal photonique, en accord avec prédiction théorique. L'importance du choix de la sonde (silice, pointe métallisée, Nano-antenne) pour l'étude des structures à cristaux photoniques a également été démontrée. Outre la mesure d'intensité du champ électromagnétique, la polarisation du champ électrique a été mesurée à l'échelle nanométrique pour la première fois par l'aide d'une antenne à ouverture papillon. Ces résultats permettent d'identifier sans équivoque des modes avec les simulations 3D-FDTD.Dans ce travail est également rapporté la première observation de la localisation de la lumière dans deux types de lasers aléatoires à base de cristaux photoniques bidimensionnels. Le caractère aléatoire est introduit soit en déplaçant les positions des motifs du cristal (trous d'air), soit en faisant varier de façon aléatoire le diamètre des trous. Pour la première fois nous avons observé directement par SNOM la localisation de la lumière dans le cristal désordonné. Cela nous a permis d'observer la transition de morphologie du mode de Bloch lent entre le cristal ordonné et le cristal désordonné.


  • Résumé

    2D-Photonic crystal (PC) structures have enabled the fabrication of a wide variety of nanophotonic components. In perfect PCs, the exploitation of the enhanced local density of states at critical points of the band diagram has attracted considerable attention. Near these points, where the group velocity vanished, low curvature flat bands give rise to delocalized and stationary optical slow Bloch modes (or slow light modes). Properties of slow light make them good candidates to enhance Purcell or various non-linear effects or to design low-threshold lasers. Among these modes, slow Bloch modes (SBMs) emitting in the vertical direction, i.e. located at the Γ- point of the Brillouin zone are particularly interesting for integrating 2D PC architectures with free space optics. In particular, some SBMs proved to be suitable for achieving strong vertical emission with peculiar polarization properties. Other promising applications concern disorder: by introducing a controlled randomness into the PC structure, it is possible to induce a transition from slow Bloch mode (in ordered PC) to Anderson’s localization (in disordered PC) as a function of disorder degree. In this PhD dissertation, Slow Bloch modes have been studied and characterized by the means of Near-field Scanning Optical microscopy (NSOM). We particularly focused on Slow Bloch laser mode at Γ- point of a honeycomb 2DPC. This NSOM technique enables to visualize the evanescent component of the mode with a spatial resolution below the diffraction limit. In this work, we showed that the far-field and the near-field image of the mode at the 2D-PC surface are different and that near-field results yield a better insight in the real mode structure inside the PC slab in agreement with theoretical prediction. The importance of the probe selection (bare silica, metallized tip and bow-tie aperture nanoantenna) for studying III-V photonic crystal structures was also demonstrated. Besides intensity measurement of the electromagnetic field, the polarization of the electric field has been measured at the nanoscale for the first time by using a bow-tie nano-antenna probe. These results enable the unambiguous identification of the modes with the 3D-FDTD simulations.In this work is also reported the first observation of two-dimensional localization of light in two types of 2D random photonic crystal lasers, where Slow Bloch Mode (SBM) is scattered by artificial structural randomness in triangular PCs. The structural randomness is introduced whether by nanometer displacements in the positions of lattice elements (air holes), whether by variation of the hole diameters. The direct near-field imaging of the lasing mode by use of NSOM for the first time, allowed us to observe the transition of the extended planar SBM to be Anderson localized.


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