Application du concept de la symétrie PT à l'optique intégrée

par Vincent Brac De La Perriere

Projet de thèse en Optique, optoélectronique, microondes

Sous la direction de Anatole Lupu.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Ondes et Matière , en partenariat avec Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2015 .


  • Résumé

    La condition qu'un Hamiltonien soit Hermitien pour avoir des valeurs propres réelles a été longtemps considérée comme une évidence absolue. L'introduction en 1998 du concept d'Hamiltonien non-Hermitien avec des valeurs propres réelles a été un nouveau paradigme pour la mécanique quantique. La condition nécessaire pour avoir des valeurs propres réelles est que l' Hamiltonien soit invariant par rapport à une inversion du temps et de l'espace : 'Symétrie PT (Parité Temps)'. En optique on peut trouver des analogies directes avec la mécanique quantique. C'est le cas d'un système à deux guides d'onde couplés dont l'un est avec des pertes et l'autre avec du gain. La distribution spatiale de l'indice de réfraction joue le rôle du potentiel. A la différence d'un système conventionnel de guides couplés passifs représenté Fig. 1a, le profil d'indice devient complexe (Fig. 1b). La variation du niveau de gain/pertes permet de modifier les constantes de propagation des guides couplés et de réaliser une fonction de commutation/routage. Cette solution représente une alternative prometteuse aux approches utilisant l'effet électroréfractif.

  • Titre traduit

    PT symmetry based functional devices for integrated optics


  • Résumé

    The development of photonics during the past decades, enabled by the advent of nanofabrication technologies, witnessed the appearance of new type of artificial materials such as photonic crystals, metametarials, plasmonic, and more recently the so called “PT symmetry” structures. The characteristic feature of this new type of artificial structures is that though they are described by a non-Hermitian Hamiltonians their eigenvalues can still be real. In optics, several physical processes are known to obey equations that are formally equivalent to that of Hamiltonians in quantum mechanics. The refractive index profile represented in Fig. 1 is playing the role of the Hamiltonian potential. In the PT-symmetric case [Fig. 1(b)], the amount of gain in one waveguides is equal to the losses in the second waveguide.Such a combination of gain and losses is the foundational element of PT symmetry based devices. The effective detuning of the propagation constants in is gradually reduced with increasing the level of combined gain/loss in the system. The variation of the effective detuning can thus be exploited for the implementation of a switching or modulation through the variation of the gain level in the system [1-3]. The objective of this PhD thesis is twofold. In the field of theoretical and modeling work it would consist to explore new concepts of PT symmetry based devices. A particular attention would be given to combine the concept of PT symmetry with plasmonics, metamaterials or slow light devices in view of achieving new functionalities.In the field of the experimental work it would consist to perform the technological realization in the IEF clean-room of the prototypes for the demonstration of the PT symmetry based functional optical devices such as switches or modulators. The PhD student will acquire during the thesis skills in technology and nanotechnology fabrication (electron beam lithography, plasma etch, vapor deposition...), in materials analysis techniques (electron microscopy), in characterization of integrated optics components. 1. A. Lupu, H. Benisty, and A. Degiron, “Switching using PT symmetry in plasmonic systems: positive role of the losses,” Opt. Express 21, 21651-21668 (2013).2.H. Benisty, A. Degiron, A. Lupu, et al, “Implementation of PT symmetric devices using plasmonics: principle and applications,” Opt. Express 19, 18004-18019 (2011).3. A. Lupu, H. Benisty, and A. Degiron, “Using optical PT-symmetry for switching applications,” Photonics Nanostruct. Fundam. Appl. 12, 305-311 (2014).