Lumière lente dans les guides à cristaux photoniques réels

Slow light in realistic photonic crystal waveguides

• Auteur / Autrice : Simon Mazoyer
• Direction : Philippe Lalanne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et Photonique
• Date : Soutenance le 07/01/2011
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 1998-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry (Palaiseau, Essonne ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Juan Ariel Levenson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Lalanne, Juan Ariel Levenson, Christian Seassal, Patrick Sebbah, Rémi Carminati, Jean-Pierre Huignard, Frédérique de Fornel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Seassal, Patrick Sebbah

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électromagnétisme

Nanophotonique

Optique intégrée

Cristaux photoniques

Mots clés libres

Optique

Cristaux photoniques

Optique guidée

Optique intégrée

Nanophotonique

Méthodes numériques pour l'électromagnétisme

Optics

Photonic crystal waveguides

Guided optics

Integrated optics

Nanophotonics

Electromagnetism

Résumé

Les guides à cristaux photoniques sont des guides optiques structurés à des échelles inférieures à la longueur d’onde. La vitesse de groupe de l’onde guidée y est ralentie. L’intensité du champ électromagnétique est ainsi exaltée et permet d’envisager de nombreuses applications pour le traitement optique de l'information. Cependant cette exaltation rend aussi les guides particulièrement sensibles aux imperfections de fabrication. Nous réalisons ici une étude théorique, numérique et expérimentale du transport de la lumière lente dans ces guides en présence de désordre. Le travail théorique propose une extension des méthodes perturbatives (de type Born) au cas des modes de Bloch électromagnétiques et un outil numérique original pour prendre en compte la diffusion multiple, qui devient déterminante lorsque la vitesse diminue. Les prédictions de ces deux types d'analyse ont été confrontées à des résultats expérimentaux. Pour la première fois dans les guides à cristaux photoniques, nous avons mesuré les statistiques d'ensemble du transport, en recoupant des mesures réalisées sur 18 échantillons identiques au désordre de fabrication près. Nous mettons en évidence les véritables limites de fonctionnement de ces guides. Ils ne sont limités ni par la dispersion, ni par leur atténuation moyenne. Les phénomènes de diffusion multiple modifient par contre considérablement la loi de probabilité de transmission. Pour pouvoir utiliser les guides à cristaux photoniques, il faut donc rester dans des régimes de fonctionnement où la diffusion multiple est négligeable, c’est-à-dire soit pour des vitesses de groupe relativement grandes (vg > c/20), soit pour des longueurs de guide faibles.

Photonic crystals are optical materials in which patterning of dielectric materials on a sub-wavelength scale creates unusual optical properties such as propagation speeds that are much slower than the speed of light. Electromagnetic fields are locally enhanced and light-matter interactions are thereby increased. However, because of this enhancement, the waveguides are much more sensitive to fabrication disorder. In this manuscript, we develop a theoretical, numerical and experimental analysis of the light transport in disordered waveguides. The theoretical work proposes an extension of the Born approximation to the case of electromagnetic Bloch modes and a new numerical tool which considers the multiple-scattering that becomes dominant when the group velocity decreases. Predictions of both models have been compared to experimental results. For the first time in photonic crystal waveguides, we measured ensemble-averaged quantities of photonic transport, collected on a series of 18 waveguides that are nominally identical and that only differ by statistical structural imperfections. We deduced the actual working limitations of these guides: they are limited neither by their GVD nor by their averaged losses. However multiple-scattering processes change the transmission probability density function dramatically. In order to use photonic crystal waveguides, it is therefore necessary to keep within regimes, where multiple scattering can be neglected, i.e. for relatively high group velocities (vg > c/20), or for short waveguide lengths.