Effets d'optique non-linéaire d'ordre trois dans les cavités à cristaux photoniques en silicium (auto-oscillations GHz dues aux porteurs libres et diffusion Raman stimulée)

Dans ce travail de thèse, nous avons étudié des effets d'optique non-linéaire d'ordre trois dans les cavités à cristaux photoniques en silicium. Le premier d'entre eux est un phénomène d'auto-oscillations à haute fréquence (GHz) dans ces cavités, qui a pour origine une modulation de la transmission de la cavité due à l'interaction entre la dispersion due aux porteurs libres et l absorption à deux photons. Nous avons observé ces auto-oscillations, pour la première fois, dans les nanocavités à cristaux photoniques silicium avec une fréquence de l ordre de 3 GHz et une grande pureté spectrale. Nous avons développé un modèle pour analyser les mécanismes qui régissent l'apparition de ces auto-oscillations, ainsi que les amplitudes des fréquences fondamentale et harmoniques de ces oscillations. Ce phénomène d'auto-oscillations permettrait de réaliser des sources micro-ondes en silicium très compactes. Le deuxième phénomène étudié est celui de la diffusion Raman, qui est le seul moyen d'obtenir des lasers entièrement en silicium démontré jusqu'à présent. Cette diffusion Raman a été mesurée tout d'abord dans des guides d'onde à cristaux photoniques étroits (W0.63) de longueur 100 microns, où nous avons pu obtenir un nombre de photons Stokes allant jusqu'à 9, montrant ainsi que la diffusion Raman stimulée prédominait dans ces guides d'onde, bien que nous n ayons pas pu y obtenir un effet laser Raman franc. Nous avons ensuite mesuré la diffusion Raman dans des nanocavités doublement résonantes conçues spécifiquement à partir de ces guides d'ondes pour optimiser l'effet Raman, avec des facteurs de qualités allant jusqu'à 235000 pour la résonance Stokes. Bien que nous n'ayons pu mesurer que de la diffusion Raman spontanée dans ces cavités, avec un facteur de Purcell de 2.9, l'étude théorique que nous avons effectuée sur les lasers Raman, et qui s'accorde parfaitement avec les résultats expérimentaux, montre qu il serait possible d'obtenir un laser Raman dans ces cavités avec un seuil en dessous du milliwatt à condition de diminuer ces pertes dues à l'absorption par porteurs libres. Ceci pourrait être accompli en diminuant le temps de vie des porteurs libres, par exemple en les retirant du silicium à l aide d une jonction MSM.In this thesis, we studied third order nonlinear optical effects in photonic crystal cavities. The first of those effects is is the phenomenon of high frequency (GHz) self-pulsing in these cavities, which originates from a modulation of the transmission of the cavity due to the interaction between the free-carrier dispersion and the two-photon absorption. We have observed these self-induced oscillations for the first time in silicon photonic crystal nanocavities, with a frequency of about 3 GHz and a high spectral purity. We have developed a model to analyze the mechanisms that govern the onset of these oscillations, as well as the amplitudes of the fundamental and harmonic frequencies of these oscillations. This self-pulsing phenomenon would allow us to realize realize ultra-compact microwave sources made of silicon. The second phenomenon studied is that of Raman scattering, which is the only way to obtain lasers fully in silicon demonstrated so far. The Raman scattering was measured first in narrow photonic crystals waveguides (W0.63) of length 100 microns, where we could obtain a number of Stokes photons up to 9, showing that the stimulated Raman scattering predominated in these waveguides, although we have not been able to obtain a true Raman laser effect in them. We then measured the Raman scattering in doubly resonant nanocavities specifically designed from these waveguides to optimize the Raman effect, with quality factors up to 235000 for the Stokes resonance. Although we could only measure spontaneous Raman scattering in these cavities, with a Purcell factor of 2.9, the theoretical study that we conducted on the Raman lasers, which agrees perfectly with the experimental results, shows that it would be possible to obtain a Raman laser in these cavities with a threshold below the milliwatt, provided we reduce the losses due to the free-carrier absorption. This could be accomplished by decreasing the free-carrier lifetime, for example by removing the free carriers from the silicon using a MSM junction.PARIS11-SCD-Bib. électronique (914719901) / SudocSudocFranceF

Co-design of an in-line holographic microscope with enhanced axial resolution: selective filtering digital holography

International audienceCommon-path digital in-line holography is considered as a valuable 3D diagnostic techniques for a wide range of applications. This configuration is cost effective and relatively immune to variation in the experimental environment. Nevertheless, due to its common-path geometry, the signal to noise-ratio of the acquired hologram is weak as most of the detector (i.e. CCD/CMOS sensor) dynamics is occupied by the reference field signal, whose energy is orders of magnitude higher than the field scattered by the imaged object. As it is intrinsically impossible to modify the ratio of energy of reference to the object field, we propose a co-design approach (Optics/Data Processing) to tackle this issue. The reference to object field ratio is adjusted by adding a 4-f device to a conventional in-line holographic setup , making it possible to reduce the weight of the reference field while keeping the object field almost constant. Theoretical analysis of the Cràmer-Rao lower bounds of the corresponding imaging model illustrate the advantages of this approach. These lower bounds can be asymptotically reached using a parametric inverse problems reconstruction. This implementation results in a 60 % gain in axial localization accuracy (for of 100 µm diameter spherical objects) compared to a classical in-line holography setup

Spontaneous hot-electron light emission from electron-fed optical antennas

Nanoscale electronics and photonics are among the most promising research areas providing functional nano-components for data transfer and signal processing. By adopting metal-based optical antennas as a disruptive technological vehicle, we demonstrate that these two device-generating technologies can be interfaced to create an electronically-driven self-emitting unit. This nanoscale plasmonic transmitter operates by injecting electrons in a contacted tunneling antenna feedgap. Under certain operating conditions, we show that the antenna enters a highly nonlinear regime in which the energy of the emitted photons exceeds the quantum limit imposed by the applied bias. We propose a model based upon the spontaneous emission of hot electrons that correctly reproduces the experimental findings. The electron-fed optical antennas described here are critical devices for interfacing electrons and photons, enabling thus the development of optical transceivers for on-chip wireless broadcasting of information at the nanoscale

Recessive mutations in SPTBN2 implicate β-III spectrin in both cognitive and motor development

β-III spectrin is present in the brain and is known to be important in the function of the cerebellum. Heterozygous mutations in SPTBN2, the gene encoding β-III spectrin, cause Spinocerebellar Ataxia Type 5 (SCA5), an adult-onset, slowly progressive, autosomal-dominant pure cerebellar ataxia. SCA5 is sometimes known as "Lincoln ataxia," because the largest known family is descended from relatives of the United States President Abraham Lincoln. Using targeted capture and next-generation sequencing, we identified a homozygous stop codon in SPTBN2 in a consanguineous family in which childhood developmental ataxia co-segregates with cognitive impairment. The cognitive impairment could result from mutations in a second gene, but further analysis using whole-genome sequencing combined with SNP array analysis did not reveal any evidence of other mutations. We also examined a mouse knockout of β-III spectrin in which ataxia and progressive degeneration of cerebellar Purkinje cells has been previously reported and found morphological abnormalities in neurons from prefrontal cortex and deficits in object recognition tasks, consistent with the human cognitive phenotype. These data provide the first evidence that β-III spectrin plays an important role in cortical brain development and cognition, in addition to its function in the cerebellum; and we conclude that cognitive impairment is an integral part of this novel recessive ataxic syndrome, Spectrin-associated Autosomal Recessive Cerebellar Ataxia type 1 (SPARCA1). In addition, the identification of SPARCA1 and normal heterozygous carriers of the stop codon in SPTBN2 provides insights into the mechanism of molecular dominance in SCA5 and demonstrates that the cell-specific repertoire of spectrin subunits underlies a novel group of disorders, the neuronal spectrinopathies, which includes SCA5, SPARCA1, and a form of West syndrome

Nonlinear optical effects of the third order in silicon photonic crystal cavities : High frequency self-induced oscillations and stimulated Raman scattering

Dans ce travail de thèse, nous avons étudié des effets d'optique non-linéaire d'ordre trois dans les cavités à cristaux photoniques en silicium. Le premier d'entre eux est un phénomène d'auto-oscillations à haute fréquence (GHz) dans ces cavités, qui a pour origine une modulation de la transmission de la cavité due à l'interaction entre la dispersion due aux porteurs libres et l’absorption à deux photons. Nous avons observé ces auto-oscillations, pour la première fois, dans les nanocavités à cristaux photoniques silicium avec une fréquence de l’ordre de 3 GHz et une grande pureté spectrale. Nous avons développé un modèle pour analyser les mécanismes qui régissent l'apparition de ces auto-oscillations, ainsi que les amplitudes des fréquences fondamentale et harmoniques de ces oscillations. Ce phénomène d'auto-oscillations permettrait de réaliser des sources micro-ondes en silicium très compactes. Le deuxième phénomène étudié est celui de la diffusion Raman, qui est le seul moyen d'obtenir des lasers entièrement en silicium démontré jusqu'à présent. Cette diffusion Raman a été mesurée tout d'abord dans des guides d'onde à cristaux photoniques étroits (W0.63) de longueur 100 microns, où nous avons pu obtenir un nombre de photons Stokes allant jusqu'à 9, montrant ainsi que la diffusion Raman stimulée prédominait dans ces guides d'onde, bien que nous n’ayons pas pu y obtenir un effet laser Raman franc. Nous avons ensuite mesuré la diffusion Raman dans des nanocavités doublement résonantes conçues spécifiquement à partir de ces guides d'ondes pour optimiser l'effet Raman, avec des facteurs de qualités allant jusqu'à 235000 pour la résonance Stokes. Bien que nous n'ayons pu mesurer que de la diffusion Raman spontanée dans ces cavités, avec un facteur de Purcell de 2.9, l'étude théorique que nous avons effectuée sur les lasers Raman, et qui s'accorde parfaitement avec les résultats expérimentaux, montre qu’il serait possible d'obtenir un laser Raman dans ces cavités avec un seuil en dessous du milliwatt à condition de diminuer ces pertes dues à l'absorption par porteurs libres. Ceci pourrait être accompli en diminuant le temps de vie des porteurs libres, par exemple en les retirant du silicium à l’aide d’une jonction MSM.In this thesis, we studied third order nonlinear optical effects in photonic crystal cavities. The first of those effects is is the phenomenon of high frequency (GHz) self-pulsing in these cavities, which originates from a modulation of the transmission of the cavity due to the interaction between the free-carrier dispersion and the two-photon absorption. We have observed these self-induced oscillations for the first time in silicon photonic crystal nanocavities, with a frequency of about 3 GHz and a high spectral purity. We have developed a model to analyze the mechanisms that govern the onset of these oscillations, as well as the amplitudes of the fundamental and harmonic frequencies of these oscillations. This self-pulsing phenomenon would allow us to realize realize ultra-compact microwave sources made of silicon. The second phenomenon studied is that of Raman scattering, which is the only way to obtain lasers fully in silicon demonstrated so far. The Raman scattering was measured first in narrow photonic crystals waveguides (W0.63) of length 100 microns, where we could obtain a number of Stokes photons up to 9, showing that the stimulated Raman scattering predominated in these waveguides, although we have not been able to obtain a true Raman laser effect in them. We then measured the Raman scattering in doubly resonant nanocavities specifically designed from these waveguides to optimize the Raman effect, with quality factors up to 235000 for the Stokes resonance. Although we could only measure spontaneous Raman scattering in these cavities, with a Purcell factor of 2.9, the theoretical study that we conducted on the Raman lasers, which agrees perfectly with the experimental results, shows that it would be possible to obtain a Raman laser in these cavities with a threshold below the milliwatt, provided we reduce the losses due to the free-carrier absorption. This could be accomplished by decreasing the free-carrier lifetime, for example by removing the free carriers from the silicon using a MSM junction

Effets d’optique non-linéaire d’ordre trois dans les cavités à cristaux photoniques en silicium : auto-oscillations GHz dues aux porteurs libres et diffusion Raman stimulée

In this thesis, we studied third order nonlinear optical effects in photonic crystal cavities. The first of those effects is is the phenomenon of high frequency (GHz) self-pulsing in these cavities, which originates from a modulation of the transmission of the cavity due to the interaction between the free-carrier dispersion and the two-photon absorption. We have observed these self-induced oscillations for the first time in silicon photonic crystal nanocavities, with a frequency of about 3 GHz and a high spectral purity. We have developed a model to analyze the mechanisms that govern the onset of these oscillations, as well as the amplitudes of the fundamental and harmonic frequencies of these oscillations. This self-pulsing phenomenon would allow us to realize realize ultra-compact microwave sources made of silicon. The second phenomenon studied is that of Raman scattering, which is the only way to obtain lasers fully in silicon demonstrated so far. The Raman scattering was measured first in narrow photonic crystals waveguides (W0.63) of length 100 microns, where we could obtain a number of Stokes photons up to 9, showing that the stimulated Raman scattering predominated in these waveguides, although we have not been able to obtain a true Raman laser effect in them. We then measured the Raman scattering in doubly resonant nanocavities specifically designed from these waveguides to optimize the Raman effect, with quality factors up to 235000 for the Stokes resonance. Although we could only measure spontaneous Raman scattering in these cavities, with a Purcell factor of 2.9, the theoretical study that we conducted on the Raman lasers, which agrees perfectly with the experimental results, shows that it would be possible to obtain a Raman laser in these cavities with a threshold below the milliwatt, provided we reduce the losses due to the free-carrier absorption. This could be accomplished by decreasing the free-carrier lifetime, for example by removing the free carriers from the silicon using a MSM junction.Dans ce travail de thèse, nous avons étudié des effets d'optique non-linéaire d'ordre trois dans les cavités à cristaux photoniques en silicium. Le premier d'entre eux est un phénomène d'auto-oscillations à haute fréquence (GHz) dans ces cavités, qui a pour origine une modulation de la transmission de la cavité due à l'interaction entre la dispersion due aux porteurs libres et l’absorption à deux photons. Nous avons observé ces auto-oscillations, pour la première fois, dans les nanocavités à cristaux photoniques silicium avec une fréquence de l’ordre de 3 GHz et une grande pureté spectrale. Nous avons développé un modèle pour analyser les mécanismes qui régissent l'apparition de ces auto-oscillations, ainsi que les amplitudes des fréquences fondamentale et harmoniques de ces oscillations. Ce phénomène d'auto-oscillations permettrait de réaliser des sources micro-ondes en silicium très compactes. Le deuxième phénomène étudié est celui de la diffusion Raman, qui est le seul moyen d'obtenir des lasers entièrement en silicium démontré jusqu'à présent. Cette diffusion Raman a été mesurée tout d'abord dans des guides d'onde à cristaux photoniques étroits (W0.63) de longueur 100 microns, où nous avons pu obtenir un nombre de photons Stokes allant jusqu'à 9, montrant ainsi que la diffusion Raman stimulée prédominait dans ces guides d'onde, bien que nous n’ayons pas pu y obtenir un effet laser Raman franc. Nous avons ensuite mesuré la diffusion Raman dans des nanocavités doublement résonantes conçues spécifiquement à partir de ces guides d'ondes pour optimiser l'effet Raman, avec des facteurs de qualités allant jusqu'à 235000 pour la résonance Stokes. Bien que nous n'ayons pu mesurer que de la diffusion Raman spontanée dans ces cavités, avec un facteur de Purcell de 2.9, l'étude théorique que nous avons effectuée sur les lasers Raman, et qui s'accorde parfaitement avec les résultats expérimentaux, montre qu’il serait possible d'obtenir un laser Raman dans ces cavités avec un seuil en dessous du milliwatt à condition de diminuer ces pertes dues à l'absorption par porteurs libres. Ceci pourrait être accompli en diminuant le temps de vie des porteurs libres, par exemple en les retirant du silicium à l’aide d’une jonction MSM

Auto-étalonnage en microscopie sans lentille couleur.

International audienceLensless color microscopy (also called in-line digital color holography) is a recent quantitative 3D imaging method used in several areas including biomedical imaging and microfluidics. By targetting cost effective and compact designs, the wavelength of the low-end sources used is only imprecisely known, in particular because of their temperature and power supply voltage dependence. This imprecision is the source of biases during the reconstruction step. An additional source of error is the crosstalk phenomenon, i.e., the mixture in color sensors of signals originating from different color channels. We propose to use a parametric inverse problem approach to achieve the self-calibration of a digital color holographic setup. This process provides an estimation of the central wavelengths and of the crosstalk. We show that taking the crosstalk phenomenon into account in the reconstruction step improves its accuracy.La microscopie sans lentille couleur (également appelée holographie numérique couleur en ligne) est une méthode d'imagerie 3D quantitative récente utilisée dans plusieurs domaines, dont l'imagerie biomédicale et la microfluidique. Lorsqu'on s'intéresse à des conceptions bas coût et compactes, les longueurs d'ondes des sources utilisées ne sont pas connues précisemment, notamment en raison de leur dépendance à la température et à la tension d'alimentation. Cette imprécision est la source de biais lors de l'étape de reconstruction. Une source d'erreur supplémentaire qui peut être présente dans ce type de montage, est le phénomène de "cross talk", c'est-à-dire le mélange des signaux des différentes longueurs d'ondes sur les canaux RGB de la matrice de Bayer du capteur. Nous proposons d'utiliser une approche de type problèmes inverses paramétrique pour réaliser un auto-étalonnage de ce type de configuration holographique couleur bas coût. Cette approche fournit une estimation des longueurs d'ondes centrales des sources et du "cross-talk". Nous montrons que la prise en compte du phénomène de "cross-talk" dans la phase de reconstruction améliore sa précision

Optical wireless link between a nanoscale antenna and a transducing rectenna

International audienc