Contributions à une modélisation tout-analytique de réseaux holographiques uni et bi-dimensionnels passifs et actifs

Contributions to an all-analytical modeling of one and two-dimensional passive or active holographic grating

• Auteur / Autrice : Deka Moussa Djama
• Direction : Florian Bentivegna
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et technologies de l'information et de la communication (STIC). Optique appliquée et lasers
• Date : Soutenance le 16/12/2013
• Etablissement(s) : Brest
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Santé, information-communication et mathématiques, matière (Brest, Finistère)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de toxicologie alimentaire et cellulaire (Brest, Finistère)
• Partenaire(s) de recherche : école : École nationale d'ingénieurs de Brest (1961-....)
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Zaquine
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Florian Bentivegna, Isabelle Zaquine, Taha Benyattou, Frédéric Zolla, Yann Boucher
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Taha Benyattou, Frédéric Zolla

Mots clés

Mots clés contrôlés

Holographie

Mots clés libres

Hologrammes épais uni- et bi-dimensionnels

Modélisation tout-analytique

Couplage d’ondes intégral

Formalisme des matrices de transfert

Coefficient de couplage

Désaccord de phase

Source émettrice en cavité

Thick holograms uni-and bidimensional, Thick holograms uni-and bidimensional

All-analytical modeling

Wave coupling

Transfer matrices formalisation

Coupling coefficient

Phase difference

Emitting source cavity

Résumé

On présente une modélisation tout-analytique d’hologrammes épais uni- ou bidimensionnels (1D/2D), passifs ou actifs, pouvant être photo-inscrits dans des matrices de polymère éventuellement dopées, par exemple en vue de réaliser à faible coût des lasers DFB. Les outils et hypothèses de la modélisation (formalismes des ondes couplées et des matrices de transfert, régime de diffraction de Bragg, hypothèse des enveloppes lentement variables, approche perturbative) sont d’abord introduits et appliqués au cas d’un hologramme épais 1D (réseau en transmission) placé dans une cavité Fabry-Pérot. On montre que la matrice de transfert et la réponse de la structure sont entièrement gouvernées par quelques paramètres réduits : désaccord de phase des ondes co-propagatives avec la condition de Bragg du réseau et coefficients de couplage entre ces ondes. L’étude est ensuite étendue au cas d’un hologramme épais 2D, superposition de réseaux en transmission et en réflexion distribuée placés dans une cavité Fabry-Pérot. On montre que l’approche tout-analytique reste valide au prix de changements judicieux de base de décomposition des champs. Quelques paramètres suffisent à nouveau à décrire le système : désaccord avec la condition de Bragg de chaque réseau et coefficients de couplage entre ondes respectivement co- et contra-propagatives. Enfin, les bases d’une extension du traitement tout-analytique à un hologramme 2D actif sont posées. La présence d’une source localisée d’émission spontanée est prise en compte via une extension du formalisme des matrices de transfert. On montre que l’émission de la source est filtrée angulairement et spectralement par la cavité que forme l’H2D passif.

This work is devoted to an analytical modelling of thick, one- or two-dimensional (1D/2D), passive or active holograms. Such devices can be obtained by photoinscription of diffraction gratings in polymer matrices, e.g. for the fabrication of low-cost DFB lasers. First we introduce the tools and hypotheses (coupled-mode theory, transfer matrix formalism, Bragg diffraction regime, slowly-varying envelopes, perturbative approach) of our model and apply them to the case of a thick 1D hologram (transmission grating) in a Fabry-Pérot cavity. We show that its transfer matrix and optical response are entirely governed by a small set of adimensional parameters that quantify the phase mismatch with the Bragg condition of the grating and coupling constants between co-directional waves. We then extend our study to the case of a thick 2D hologram resulting from the crossed superposition of a transmission grating and a distributed Bragg reflector in a Fabry-Pérot cavity. We establish that our all-analytical approach remains valid, provided fields are expressed in a well-chosen basis. Again, a small set of physical parameters (phase mismatch with each grating’s Bragg condition, co- and contra-directional coupling constants) is shown to completely describe the behaviour of the device. Finally, we lay the foundations of an extension of our analytical treatment to the case of an active 2D hologram containing a single localized point source, whose isotropic spontaneous emission is readily taken into account through an extension of the transfer matrix formalism. We show that the emission is angularly and spectrally filtered by the response of the passive 2D hologram previously described.