Nanopinces optiques à base de modes de Bloch lents en cavité

Ce travail de thèse s inscrit dans les efforts actuellement réalisés, pour améliorer l efficacité des pinces optiques conventionnelles qui permettent de manipuler sans contact des objets de quelques dizaines de nanomètres à quelques dizaines de micromètres avec une extrême précision et trouvent de nombreuses applications en biophysique et sciences de colloïdes.L objectif de cette thèse a été d explorer une nouvelle approche pour la réalisation de Nanopinces Optiques. Elle s appuie sur l utilisation de cavités à cristaux photoniques à modes de Bloch lents. Ces cavités peuvent être efficacement et facilement excitées par un faisceau Gaussien à incidence normale. Contrairement aux pinces optiques conventionnelles, des objectifs à faibles ouvertures numériques peuvent être utilisés. Les performances attendues en termes de piégeage vont bien au-delà de limitations imposées par la limite de diffraction pour les pinces conventionnelles. Ce travail démontre expérimentalement l efficacité de l approche. Cette thèse comporte deux parties principales. Dans un premier temps, il a fallu monter un banc expérimental pour mener nos études. Nous avons construit un banc optique, interfacé les instruments, et développé des applications logicielles pour analyser les données. Deux éléments importants ont présidé à sa construction : - Le développement d un système optique permettant d exciter les nanostructures photoniques - la conception d un système d imagerie pour suivre les nanoparticules. La seconde partie de ce travail a porté sur la mise en évidence du piégeage optique à l aide de nanostructure à base de cristaux photonique. Nous avons d abord montré que même des cavités possédant des coefficients de qualités modérés (quelques centaines) permettait d obtenir des pièges optiques dont l efficacité est d un ordre de grandeur supérieur à celui de pinces conventionnels. Fort de ce résultat, nous avons exploré un nouveau type de cavité à cristaux photoniques s appuyant sur une approche originale : des structures bi-périodiques. Nous avons montré qu à l aide de cette approche des facteurs de qualités de l ordre de plusieurs milliers étaient facilement atteignable. A l aide de ces nouvelles structures, nous sommes arrivés aux résultats le plus important de ce travail : le piégeage de nanoparticules de 250nm de rayon avec une puissance optique incidente de l ordre du milliwatt. Une analyse fine du mouvement de la nanoparticule, nous a permis de trouver la signature du mode de Bloch lent.This thesis aims at improving the efficiency of conventional optical tweezers (cOT). They allow to manipulate objects with dimension from a few tens of nanometer to a few tens of micrometers with a high accuracy and without contact. This has numerous applications in biophysics and colloidal science. This thesis investigates a new approach for optical nanotweezers. It uses a photonic crystal (PC) cavity which generates a slow Bloch mode. This cavity can be effectively and easily excited with a Gaussian beam at the normal incidence. Contrarily to cOT, objective with a small numerical aperture can be used. The expected performances in terms of trapping go well beyond the diffraction limit of cOT. This work demonstrates experimentally the efficacy of approach. This thesis is divided in two main sections. First, we had to set up an experimental bench to carry out to our study. We built the optical bench interface instruments and develop programs to analyze the data. Two essential elements have been considered: - The development of the optical system allowing the excitation of the photonics nanostructure. - The design an imaging system to track nanoparticles. Second, we have focus on the demonstration of the optical trapping. We started by with a low Q factor (few hundred) cavity. Trapping efficiency of an order of magnitude higher than cOT has been demonstrated. Then, we have explored a new king of PC cavity based on double period structure. We show that thanks to this approach high Q factor of several thousand are easily reached. With this structure, we managed to trap 250nm polystyrene beads, with an optical power of the order of a milliwatt. A deep analysis of the nanoparticle trajectories allowed us to find a slow Bloch mode signature.VILLEURBANNE-DOC'INSA-Bib. elec. (692669901) / SudocSudocFranceF

Tamm plasmon Photonic Crystals : from Bandgap Engineering to Defect Cavity

We report for the first time the bandgap engineering of Tamm plasmon photonic crystals - Tamm plasmon structures of which the metalic layer is periodically patterned into lattice of subwavelength period. By adopting a double period design, we evidenced experimentally a complete photonic bandgap up to $150\,nm$ in the telecom range. Moreover, such design offers a great flexibility to tailor on-demand, and independently, the band-gap size from $30\,nm$ to $150\,nm$ and its spectral position within $50\,nm$. Finally, by implementing a defect cavity within the Tamm plasmon photonic crystal, an ultimate cavity of $1.6\mu m$ supporting a single highly confined Tamm mode is experimentally demonstrated. All experimental results are in perfect agreement with numerical calculations. Our results suggests the possibility to engineer novel band dispersion with surface modes of hybrid metalic/dielectric structures, thus open the way to Tamm plasmon towards applications in topological photonics, metamaterials and parity symmetry physics

Super Bound States in the Continuum on Photonic Flatbands: Concept, Experimental Realization, and Optical Trapping Demonstration

In this work, we theoretically propose and experimentally demonstrate the formation of a super bound state in a continuum (BIC) on a photonic crystal flat band. This unique state simultaneously exhibits an enhanced quality factor and near-zero group velocity across an extended region of the Brillouin zone. It is achieved at the topological transition when a symmetry-protected BIC pinned at $k=0$ merges with two Friedrich-Wintgen quasi-BICs, which arise from destructive interference between lossy photonic modes of opposite symmetries. As a proof-of-concept, we employ the super flat BIC to demonstrate three-dimensional optical trapping of individual particles. Our findings present a novel approach to engineering both the real and imaginary components of photonic states on a subwavelength scale for innovative optoelectronic devices

New concepts of integrated photonic biosensors based on porous silicon

International audienceno abstrac

Développement de matériaux déposés par PECVD pour les interconnexions optiques dans les circuits intégrés par une approche "back-end"

Au cours cette thèse, des composants élémentaires d optique intégrée ont été mis au point dans une technologie compatible avec une intégration au dessus de composants microélectroniques. Pour cela, trois matériaux présentant un fort contraste d indice et de faibles pertes dans le proche infra rouge (1,3 et 1,55 m) ont été développés par dépôt PECVD, avant d être utilisés dans des composants d optique intégrée. Le carbone amorphe, le nitrure de silicium et le silicium amorphe ont été ainsi été étudiés. L évolution des propriétés optiques des matériaux en fonction des paramètres de dépôt ont été étudiés et des couches de qualité optique ont été mise au point en nitrure silicium et en silicium amorphe. Guides d ondes, virages et diviseurs de faisceaux par MMI ont ensuite été développés avec ces deux filières à l aide d outils de simulation et de caractérisation dédiés. Des composants à très faibles pertes et à forte compacité ont été démontrés, présentant des caractéristiques à l état de l art de l optique intégrée submicronique tout en étant intégrables facilement au sein de circuits intégrésIn this thesis, we are interested in the use of a generalized cylinder state model for semi-automatic analysis of three-dimensional vascular images. This model is used on two levels: for image segmentation and quantification of the stenosis degree.The model is introduced in a vessel tracking strategy based on the Kalman state estimator, associated with the segmentation of plane contours by the level sets algorithm known as fast marching''.The interpretation of the model as a continuous geometrical object grants access to the analytical formulas used for stenosis quantification such as diameters and transversal areas.The algorithm was evaluated on a basis of 6 physical phantoms imaged in computed tomography angiography and in magnetic resonance angiography.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF

Etude des composants nanophotoniques pour les interconnexions optiques sur silicium

L'augmentation des fréquences de fonctionnement des circuits intégrés rend de plus en plus problématique l'utilisation d'interconnexions métalliques et requiert l'introduction de nouveaux types de liaisons telles que les liens optiques. Le premier objectif de cette thèse a été de montrer la faisabilité d'un lien optique en utilisant un procédé technologique compatible CMOS. Les principaux résultats obtenus concernent le développement de deux nouvelles filières de matériaux bas cout déposés par un procédé PECVD basse température : le nitrure de silicium (SiNx) et silicium amorphe (a-Si:H). Des guides rubans compacts ont été fabriqués et les pertes optiques mesurées de 2,2dB/cm et 5,5dB/cm respectivement à longueur d'onde de 1,3 m pour la filière nitrure et silicium amorphe sont à l'état de l'art mondial. La réalisation de composants élémentaires d'optique intégrée compact tel que des virages et des diviseurs de faisceaux de type MMI ont permis d'obtenir un premier lien optique de 1 vers 8 validant ainsi l'approche retenue dans ce travail. Afin de réaliser une intégration monolithique des sources et des photodétecteurs III-V peuvent être reportés sur le circuit optique par un procédé de collage de plaque par adhésion moléculaire. L'approche originale retenue lors de ce travail de thèse a consisté à utiliser des coupleurs guide à guide compacts pour le transfert de la lumière entre la couche active III-V et le circuit optique passif. L'efficacité de couplage obtenue est de 60%. Le codage de l'information dans un circuit optique nécessite l'emploi de modulateurs de lumière. La deuxième partie de cette thèse a été consacrée à l'étude des cavités résonantes permettant d'accroître les performances des modulateurs optiques à base de silicium. Compte tenu de la faible variation d'indice de réfraction induit par des effets électro-optique dans le silicium, ces effets sont renforcés par l'utilisation de microcavités et de structures diffractives (cristaux photonique unidimensionnel). Ces approches permettent de réduire de manière significative les dimensions des composants et augmenter leur fréquence d'utilisation. Pour la réalisation d'un modulateur otpique intégré, les résonateurs en anneaux de type stade et les cavités Fabry-Pérot sont les deux des structures résonantes explorés conduisant à des dispositifs compacts fabriquées dans une technologie de guide en arête. Sur le résonateur en anneau de type stade, le facteur de qualité de 5200 a été obtenu, et il a été montré que celui-ci est suffisant pour assurer une modélisation efficace dans le silicium.The increasing frequency of integrated circuits makes it problematic the use of metal interconncetions and requires the introduction o new types of connections such as optical link. The first objective of this thesis was to show the feasibility of an optical link using a CMOS compatible process technology. The main results concern the development of two new low-cost materials deposited by a low temperature process (PECVD) : the silicon nitride (SiNx) and amorphous silicon (a-Si :H). the compact strip waveguides were fabricated. The optical losses of 2.2 dB/cm and 5.5dB/cm at wavelength of 1.3 micrometer for silicon nitride and amorphous silicon have been measured. The realization of basic components as bends and beam splitters allows distributing the first optical link from 1 to 8. In order to transfer the light between the active layer III-V and passive optical circuit, the approach taken in this thesis was to use guide couplers. The coupling efficiency obtained is 60%. The second part of this thesis was devoted to the study of resonant cavities, which increase the performance of silicon optical modulators. The electro-optical effect is enhanced by the use of microcavities and diffraction structures. These approaches can significantly reduce the size of components and increase their working frequency. To achieve an integrated optical modulator, the racetrack resonators and Fabry-Perot cavities are the two resonant structures explored, which are manufactured in a rib waveguide. For the racetrack resonator, the quality factor of 5200 was obtained, and it was shown that it is adequate for an efficient modulation in silicon.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF

Conception et études optiques de composants micro-photoniques sur matériaux III-V à base de structures à bande interdite de photon

Ce travail de thèse porte principalement sur l'étude de nouveaux guides optiques, réalisés à partir de structures dont l'indice est fortement modulé et sur des dimensions de l'ordre de la longueur d'onde : les cristaux photoniques. Ces micro-guides peuvent notamment permettre de contrôler latéralement la propagation de la lumière dans un guide plan semi-conducteur classique sur des échelles de l'ordre de la longueur d'onde, à la différence des technologies actuelles qui ne réalisent cette fonction qu'à l'échelle du millimètre.Ces micro-guides représentent de ce point de vue une porte d'entrée vers une intégration des composants optiques similaire à celle qu'ont subit les composants électroniques depuis 50 ans. Une première partie de ce travail repose sur la modélisation de ces structures à partir d'une méthode de résolution des équations de Maxwell aux différences finies dans le domaine temporel, notamment pour le calcul des courbes de dispersion. Une seconde partie du travail a consisté à la réalisation d'un banc de caractérisation de ces micro-composants aux longueurs d'ondes des télécommunications optiques. Ce banc permet un couplage efficace de lumière via la génération d'une luminescence au sein du composant. Des réseaux de découplage ont également été introduits sur les structures d'études pour pouvoir collecter la lumière transmise le long de ces guides. Ce banc a mis clairement en évidence ce nouveau type de guidage et des mesures spectrales ont permis une meilleure compréhension des processus de guidage particuliers à ces composants. Une troisième partie de ce travail repose sur une étude expérimentale et numérique des pertes de propagation de ces guides, qui restent élevées pour des applications pratiques. La dernière partie de ce travail consiste en l'association de ces guides avec des micro-cavités résonnantes, dans l'objectif de réaliser des fonctions compactes de filtrage en fréquences.The thesis focus on a new type of waveguides that are able to guide light at the wavelength scale thanks to the index periodicity of their cladding. These waveguides are called photonic crystal waveguide and can lead to strong scale reductions of usual photonic crystal waveguide and can lead to strong scale reductions of usual photonic circuits. The FDTD method is developed to design and explore the properties of this waveguides. Experimental demonstration of waveguiding is obtained using a guided luminescence technique and diffraction gratings. A better understanding of the propagation characteristics comes from the comparison between experimental datas and FDTD results. Propagation losses of are found to be quite high (around 10-20dB/100 micrometer). Their origins are however clarified, leading to some solutions for loss-reduced waveguides. Finally, the coupling between a photonic crystal waveguide and a photonic crystal microcavity is investigated for compact wavelength filtering.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF

Microsystèmes optomécaniques à base d'InP pour l'analyse de gaz

Ce travail de thèse porte sur la conception, la modélisation et la réalisation d'un capteur optique pour la détermination de la concentration des gaz hydrocarbures (méthane, butane, benzène ) en analysant les raies d'absorption dans le proche infrarouge (autour 1.66 micromètre). Ce dispositif est formé à partir de micro-cavités opto-mécaniques dans les matériaux de la filière InP. Ce capteur est composé par un filtre Fabry-Pérot à cavité accordable qui, une fois actuée électro-statiquement, permet de sélectionner les différentes parties du spectre d'absorption optique d'un mélange de gaz naturel à étudier, permettant ainsi l'identification de sa composition. Les intérêts d'un capteur optique fonctionnant avec ce principe sont à la reproductibilité des mesures (le filtre accordable permet d'utiliser une seule source lumineuse et un seul détecteur), la rapidité (temps de réponse inférieur au seconde), la sélectivité (environ 10nm est la largeur de la bande passante de notre filtre) et le large intervalle spectrale d'analyse (environ 200 nm). Dans ce travail de thèse nous avons réalisé la modélisation opto-mécanique de filtres, photo-détecteurs avec une approche originale qui peremt de prévoir les performances du dispositif avec une grande précision. Enfin nous présentons des résultats préliminaires obtenus sur une première génération de filtres accordables.In this PhD thesis we talk about the optical-mechanical design and the realization of an optical sensor for hydrocarbon gas concentration measurement (methane, butane, benzene ) performing line-shape absorption analysis around the 1.665 micrometer spectral region. This device is composed by an InP based opto-mechanical micro-cavity. The cavity is a part of Fabry-Pérot filter which can be turned changing electrostatically the starting thickness of the cavity. In this way we can select the different parts of the absorption line shape of a natural gas mixture and so carry out its composition. The advantages of this kind of device are the measures reproducibility, the fast response (the time response can be less than 1 second), the selectivity (around 10 nanometers) and the possibility of performing a large spectral analysis (around 200 nanometers). In this work we have realized the opto-mechanical design of tunable Fabry-Pérot filters and a tunable resonant photo-detectors with an original approach to the mechanical model which permites to obtain the device performances with a good precision. Finally we shall present some preliminary results obtained on a first generation of tunable filters.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF

Etude en champ proche optique de guides à cristaux photoniques sur SOI

Ce travail de thèse porte sur l'étude par microscopie en champ proche optique (SNOM) de composants à cristaux photoniques bidimensionnels sur SOI, dans le domaine du proche infrarouge (longueurs d'onde télécom 1,2-1,6 micromètre). Le SNOM fournit une cartographie locale du champ électromagnétique dans les composants, avec une résolution de l'ordre de 150 nm. Les cartes de champs ainsi obtenues permettent une compréhension approfondie des phénomènes physiques qui ont lieu au sein de ces structures complexes. Trois fonctionnalités optiques différentes ont été abordées. Tout d'abord, le guidage de lumière a été mis en évidence dans un défaut linéaire de type W1. La présence d'ondes de Bloch et d'ondes stationnaires a été observée dans ce guide. Ensuite, concernant le couplage, nous avons étudié différents types de transitions (tapers) permettant d'améliorer le couplage entre guides diélectriques et guides à cristaux photoniques, ainsi qu'entre guides à cristaux photoniques et guides à cavités couplées. Nous montrons que l'utilisation de tapers correctement optimisés améliore le coefficient de transmission des structures, en réduisant les pertes hors du plan. Nous avons également calculé les pertes par propagation dans les cavités couplées. Enfin, un démultiplexeur en longueur d'onde a été conçu et caractérisé. Ce démultiplexeur utilise le principe du coupleur directionnel. Un effet de démultiplexage a été observé entre 1.3 et 1.5 micromètre.Bidimensional photonic crystals, composed of a periodic lattice of air holes in a dielectric slab, appear as attractive candidates for the miniaturization of integrated optical circuits at a sub-wavelength scale.This thesis work concerns the near-field optical study of bidimensional photonic crystals devices on SOI, in the near-infrared range (telecom wavelengths 1,2-1,6 micrometer). For the characterization of the components, a scanning near-field optical microscope (SNOM) was used so as to obtain a local cartography of the electromagnetic field in the structures, with a resolution of about 150 nm. Those field maps allow a better comprehension of the physical phenomena occurring in the structures.Three different optical functionalities were studied: guiding, coupling and demultiplexing. First, light guiding was evidenced in a W1-type linear defect. Bloch waves and standing waves were observed in the guide. Then, the coupling between photonic crystals waveguides and dielectric waveguides, as well as the coupling between photonic crystals waveguides and coupled cavities waveguides, were studied. We show that the utilisation of well-designed tapers increase the transmission coefficient of the structures, through a reduction of the out-of-plane losses. The SNOM allows an accurate measurement of the propagation losses in the coupled cavities. Finally, the conception and the characterization of a 1,3-1,5 micrometer demultiplexer was realized. This demultiplexer uses the principle of a directional coupler.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF

Caractérisation par microscopie en champ proche optique de composants de l'optique intégrée

Sujet de recherche en pleine expansion, les composants de l'optique intégrée souffraient jusqu'à ces dernières années du manque d'une technique de caractérisation complète et non-destructive. Ce travail de thèse a pour principal but de démontrer l'intérêt que présente la microscopie en champ proche otpique pour la caractérisation de ces composants fonctionnant dans le domaine des longueurs d'ondes des télécommunications [1.2-1.6 m]. Nous commencerons par de brefs rappels sur la théorie de l'électromagnétisme nécessaires à la compréhension des études menées en champ proche optique ainsi que par l'exposé des concepts de base de la microscopie en champ proche optique. Notre travail se focalisera ensuite sur la description de notre appareillage de champ proche et notamment sur les modifications que nous lui avons apporté en vue de son utilisation spécifique, dans le domaine des longueurs d'ondes des télécommunications, pour la caractérisation de composants de l'optique intégrée. Nous présenterons ensuite nos études menées sur des composants basés sur le principe des interférences multimodes (MMI), fabriqués par échange d'ions sur verre et conçus pour la recombinaison de faisceaux issus de télescopes astronomiques. Nous montrerons alors que la microscopie en champ proche optique permet une caractérisation précise de ce types de composants et un retour fin sur les paramètres physiques déterminant le comportement de ces structures (contraste d'indice, excitation modale, paramètres géométriques...). Nous présenterons en perspectives, les premières mesures effectuées sur des composants nano-photoniques où nous avons mis en évidence la présence d'une onde de bloch se propageant au sein d'un guide à base de cristaux photoniques.The increasing complexity and decreasing sizes of today s integrated optics devices raises the need for a characterization technique that gives a real insight of the intrinsic behavior of those devices. This work aims to demonstrate the extreme valuableness of scanning near-field optical microscopy (SNOM) for the characterization of integrated optics devices working in the range of telecommunication wavelength [1.2-1.6 m]. A brief overview of the electromagnetism theoretical background needed for a good understanding of near-field optical studies is given and the basic concepts of near-field scanning optical microscopy are described. Our work then focuses on the description of our technical implementation of a near-field optical experiment specifically applied to the study of photonic devices in the telecommunication wavelength range. Near-field optical studies of multimode interference (MMI) based devices, made by ion exchange on glass substrate and designed for astronomical telescope recombination, are then performed. The resulting electromagnetic field maps are deeply analyzed and compared to Beam Propagation Method (BPM) type simulation. We then show that SNOM allows us to accurately determine the physical parameters influencing the devices behavior (index contrast, mode excitation, geometrical parameters ). We also present as perspectives to this work some primal measurements on very low size photonic devices revealing resolution better than l/10 and identifying Bloch waves inside a photonic crystal based waveguide.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF