Etude des propriétés spectro-spatiales des cristaux photoniques membranaires à symétrie brisée

par Florian Dubois

Thèse de doctorat en Nanophotonique

Soutenue le 18-12-2018

à Lyon , dans le cadre de École Doctorale Electronique, Electrotechnique, Automatique (Lyon) , en partenariat avec École centrale de Lyon (établissement opérateur d'inscription) et de Institut des Nanotechnologies de Lyon (Ecully, Rhône) (laboratoire) .

Le président du jury était Maria-Pilar Bernal-Artajona.

Le jury était composé de Xavier Letartre, Pierre Viktorovitch, Hai Son Nguyen, Alfredo de Rossi.

Les rapporteurs étaient Christophe Sauvan, Guillaume Malpuech.


  • Résumé

    Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse s'inscrivent dans la suite des travaux réalisés par l'INL (Institut des Nanotechnologies de Lyon) sur les résonateurs optiques à base de cristaux photoniques membranaires pour la réalisation de composants actifs ou passifs intégrés sur silicium. Ces travaux se concentrent particulièrement sur le contrôle des propriétés de propagation des modes et des résonances guidés s'établissant dans les cristaux photoniques membranaires. Ils s'appuient notamment sur la nature partiellement ou totalement guidée de ces modes, ainsi que des propriétés de symétrie des structures (ou au contraire de dissymétrie) afin de pouvoir générer des dispersions photoniques à la demande. En effet, le contrôle des propriétés spectro-spatiales est primordiale à la réalisation de composants photoniques efficients. Par exemple l'établissement d'un régime d'émission laser dans un cristal photonique membranaire passe par un contrôle minutieux des propriétés temporelles de la résonance (fort facteur de qualité) mais aussi spatiales (fort ralentissement de la lumière) afin de pouvoir générer des densités d'états photoniques suffisamment importantes. Ainsi, de nombreuses stratégies de contrôle ont été mises en place durant les années 2000, permettant l'établissement d'un régime laser dans des structures diverses. Néanmoins, si les méthodes de fabrication et la maîtrise dans la conception de ces structures se sont améliorées au fil de leur développement, ces dispositifs restent difficilement compétitifs face à d'autres technologies. Démontrer la versatilité de ces structures par l'ajout de fonctionnalités tels que le \emph{beam steering} ou d'autres capacités serait alors une véritable plus-value. Récemment, de nouvelles stratégies de contrôle de la lumière ont émergé. Ces stratégies se basent sur une approche totalement différente des procédés de contrôle habituels. Ainsi, on peut citer les nouveaux phénomènes de localisation de la lumière basés sur des procédés inédits de découplage de la lumière du continuum radiatif, ou des dispersions en cône de Dirac qui pourraient permettre la réalisation de composants originaux tels que des lasers mono-modes à grande surface active. Ces nouveaux phénomènes permettent d'envisager d'autres approches pour la réalisation de lasers à cristaux photoniques et pourraient apporter les nouvelles fonctionnalités recherchées. Parallèlement, l'utilisation de membranes photoniques multi-modes reste encore peu répandue dans la littérature. L'utilisation conjointe de modes d'ordres différents offre pourtant des possibilités supplémentaires dans le contrôle des propriétés de propagation de la lumière dans les cristaux photoniques membranaires. Ce contrôle supplémentaire peut se traduire par des capacités de ralentissement de la lumière accrues ou par la réalisation de dispersions plus exotiques. Le but de cette thèse est alors de mettre en place les briques conceptuelles nécessaires à la génération de ces dispersions particulières. Pour cela, un modèle théorique permettant d'appréhender les dynamiques de couplage opérant dans les cristaux photoniques membranaires étudiés est mis en place. Ce modèle est ensuite confronté aux résultats de simulation ainsi qu'aux caractérisations optiques des structures fabriquées. En parallèle, une étude prospective des applications possibles est menée pour chacune des dispersions générées.

  • Titre traduit

    Studies on the spectro-spatial properties of photonic crystal slabs with broken symmetry


  • Résumé

    Work carried out in this thesis is part of the overall work done at INL on optical resonators based on photonic crystals for the design of passive as well as active components integrated on silicon chips. These works especially focus on spectral properties and propagation control of guided modes and resonances settled in photonic crystal slabs. They rely partly on the guided nature of these modes as well as their symmetry properties to generate on-demand photonic dispersions. Indeed, control of the spectro-spatial properties is overriding for the design of efficient photonic components. For instance, obtaining a laser effect with a photonic crystal requires a precise control of both spectral properties (high quality factor) and spatial ones (high light slow-down) so that large photonic densities of states are achieved. Thereby, numerous strategies of control have been developed during the 2000s, allowing a laser effect to occur with various structures. Nonetheless, despite both manufacture and design qualities have been improved, these components still remain hardly competitive compared to other technologies. Demonstrating the versatility of these structures by achieving novel functionalities like beam steering or other capacities would be a real betterment. Recently, new strategies to control light using photonic crystals have been discovered. These strategies are based on completely new phenomena. For instance, new possibilities to localize light based on novel light decoupling processes from the continuum have arisen and Dirac cone dispersions could allow the formation of monomode larger-area photonic crystal lasers. These new phenomena enabled to consider new approaches to design photonic crystal laser that could lead to the novel functionalities sought. In parallel, the use of multimode photonic membranes still remains uncommon in the literature. The use of several guided orders gives additional possibilities to the control of light propagation within photonic crystal membrane thought. This additional control can lead to improved slowing-down capabilities or exotic dispersion generation. The goal of this thesis is to set up the fundamental blocks on which these particular dispersions are based on. In this purpose, a theoretical model allowing apprehending the coupling dynamic occurring in photonic crystal membranes is established. Then, this model is compared to simulation results and experimental characterizations of the manufactured structures.


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