Thèse soutenue

Optique nonlinéaire intégrée sur guides d'ondes hybrides graphène/Si3N4 autour de λ=1.5μm
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Auteur / Autrice : Pierre Demongodin
Direction : Christelle MonatChristian Grillet
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Électronique, Micro et Nano-électronique, Optique et Laser
Date : Soutenance le 04/04/2022
Etablissement(s) : Lyon
Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Electronique, Electrotechnique, Automatique (Lyon)
Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École Centrale de Lyon (1857-....)
Laboratoire : i-lum - Institut des Nanotechnologies de Lyon (Ecully, Rhône)
Jury : Président / Présidente : Pierre-François Brevet
Examinateurs / Examinatrices : Christelle Monat, Christian Grillet, Véronique Boutou
Rapporteurs / Rapporteuses : Gilles Renversez, Nicolas Dubreuil

Mots clés

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Mots clés contrôlés

Résumé

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Le graphène, feuillet de carbone monoatomique possède des caractéristiques inhabituelles qui en ont un candidat de premier plan pour l'exploration de nouveaux phénomènes physiques mais aussi pour la prochaine génération de dispositifs microélectroniques et photoniques. En parallèle, les avancées de ces dernières décennies en optique intégrée ont permis le développement de dispositifs compacts et de plus en plus performants, en particulier pour les technologies de l'information. L'exploitation de phénomènes optiques nonlinéaires vient diversifier les fonctionnalités des dispositifs actuels, en permettant par exemple la conversion de longueur d'onde ou la génération de sources large bande sur puce, qui pourraient sous-tendre des technologies de traitement de signaux lumineux ultra-rapides à contrôle optique. Néanmoins, les plateformes couramment utilisées pour la photonique nonlinéaire intégrée (comme le silicium) ont certaines limitations, aux longueurs d'ondes télécom, empêchant leur utilisation massive au niveau industriel. Certaines études ont montré qu'un feuillet de graphène isolé présentait des propriétés nonlinéaires remarquables. Celles-ci pourraient être exploitées pour réaliser des dispositifs nonlinéaires intégrés efficaces, en le combinant à des technologies déjà maitrisées. En tant que matériau à deux dimensions, son intégration sur un dispositif photonique est relativement simple, tandis que les approches d'optique intégrée sont capables d'accroitre l'interaction entre la lumière et le graphène, naturellement restreinte en raison de sa faible dimensionnalité. Le développement de structures hybrides à base de graphène laisse donc présager d'une nouvelle génération de dispositifs photoniques avec des performances supérieures à celle des dispositifs actuels. La réponse nonlinéaire du graphène, pertinente pour ces applications, est cependant loin d'être élucidée à l'heure actuelle. Ce travail de thèse s'est focalisé sur l’étude des propriétés nonlinéaires du graphène dans des guides d'ondes hybrides graphène/Si_3 N_4. Plusieurs expériences de caractérisation par auto-modulation de phase, et mélange à quatre ondes ont été réalisées, aux longueurs d'onde télécom (λ=1.5µm), pour approfondir notre compréhension de la signature nonlinéaire du graphène, dans ces structures hybrides guidées. L'absorption saturable mais également les effets nonlinéaires photoréfractifs du graphène ont ainsi été étudiés, pour des impulsions proche-infrarouge de durée et puissance variable. Ces études expérimentales, corroborées à des simulations, ont permis de mieux appréhender le comportement du graphène en optique intégrée, dans des conditions proches de celles des applications visées.