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

Unidirectional band gaps in uniformly magnetized two-dimensional magnetophotonic crystals

By exploiting the concepts of magnetic group theory we show how unidirectional behavior can be obtained in two-dimensional magneto-photonic crystals (MOPhC) with uniform magnetization. This group theory approach generalizes all previous investigations of one-way MOPhCs including those based on the use of antiparallel magnetic domains in the elementary crystal cell. Here, the theoretical approach is illustrated for one MOPhC example where unidirectional behavior is obtained by appropriately lowering the geometrical symmetry of the elementary motifs. One-way transmission is numerically demonstrated for a photonic crystal slice.Comment: 4 pages, 3 figures, submitted to Phys. Rev. Let

Silicon-on-Insulator RF Filter Based on Photonic Crystal Functions for Channel Equalization

International audienceA compact silicon-on-insulator 2-tap interferometer is demonstrated as a channel equalizer. The radiofrequency filter is reconfigurable thanks to thermally-controlled photonic crystal couplers and delay lines. The channel fading of a dispersive fiber link supporting a directly modulated telecommunication signal is successfully compensated for using the interferometer, leading to eye diagram opening and the possibility to recover the bit-error-rate of a reference signal with less than 1-dB power penalty

Etude théorique et expérmentale de cristaux photoniques pour la réalisation de lasers guide d'onde aux longueurs d'onde télécom

Dans ce travail de thèse, nous avons pu faire une étude exhaustive de guides fabriqués à partir de cristaux photoniques (CP) constitués par un réseau périodique bi-dimensionnel de trous d'air percés au travers d'une hétérostructure sur substrat de phosphure d'indium. Nous avons pu montrer expérimentalement un effet laser mono-mode dans des guides étroits constitués d'une ou trois rangées de trous d'air manquants (guides W1 ou W3) et réalisés dans des cristaux photoniques de maille triangulaire ou carrée. En particulier, nous avons montré sous pompage optique qu'il était possible d'obtenir un effet laser dans des guides très étroits (W1) dont la largeur de coeur est de 650 nm. Une émission laser mono-mode a également été observée sous injection électrique dans des guides plus larges. Dans ce cas, la réjection des modes secondaires est supérieure à 40 dB. L'interprétation des résultats expérimentaux a pu être menée grâce à des simulations numériques tri-dimensionnelles, de type différence finie dans le domaine temporel (FDTD) et grâce à l'utilisation du formalisme de la fonction enveloppe appliqué aux cristaux photoniques. Plusieurs voies d'optimisation ont pu être proposées. Dans le domaine de la simulation numérique des CP, un algorithme utilisant des bases d'ondelettes a permis le calcul de certains diagrammes de bandes de manière plus efficace que les algorithmes traditionnels qui utilisent des bases d'ondes planes. Dans le domaines des lasers à guide, nous avons montré au moyen de simulations qu'une taille de trou appropriée permettait, d'une part, un contrôle fin de la longueur d'onde d'émission et d'autre part une réduction significative des pertes des guides à CP.In this thesis work, an exhaustive study of two dimensional photonic crystal (PhC) waveguides is carried out, both experimentally and theoretically. PhCs are fabricated by periodically etching air holes through an InP based heterostructure including six quantum wells. A single mode laser emission is experimentally demonstrated under optical pumping at room temperature for narrow waveguides formed by one or three rows of missing air holes (W1 or W3 waveguides) in a triangular or square lattice PhC. More precisely, a laser emission is observed in very narrow waveguides (W1) whose core width is about 650 nm. Single mode laser emission in larger PhC waveguides is also observed under electrical injection. In this case, the side mode rejection ratio is better than 40 dB. Experimental results are successfully interpreted using band diagram computations and finite difference in time domain simulations (FDTD) in parallel with envelope function calculations.Several improvements to PhC waveguide lasers are proposed. As regards to the simulation of PhCs, an algorithm relying on expansions in wavelet basis has been developed. It allows to compute band diagrams more efficiently than with more traditional algorithms relying on plane wave expansion. Concerning waveguide lasers, simulations show that an appropriate air hole size allows to finely tune the laser emission wavelength on one hand and to significantly reduce diffraction losses of waveguide lasers on the other hand.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

Vers le laser Raman à cristal photonique en filière silicium

Ce travail de thèse est essentiellement consacré à l'étude et à la réalisation d'un laser Raman basé sur les structures à cristaux photoniques (CP) en filière silicium. Nous avons montré que des guides d'onde ridges d'accès combinés avec des tapers inversés permettent d'améliorer efficacement le couplage expérimental de la lumière externe dans des CP. Nous avons réalisé des cavités à CP en approche membrane qui ont permis d'atteindre des facteurs de qualité supérieurs à 2 millions avec un volume modal de l'ordre de la longueur d'onde au cube. Nous avons montré également que le facteur de qualité des cavités à CP dépend de la position des guides d'onde à CP utilisé pour le couplage. Parallèlement, les modélisations numériques sur un nouveau design des cavités en approche SOI nous ont donné un facteur de qualité élevé jusqu'à 8 millions. Nous avons observé une mise en forme du spectre Raman et un renforcement de l'efficacité de la diffusiion Raman d'un factuer supérieur à 10 dans un guide d'onde à CP W1 par rapport à un guide d'onde ridge mono-mode. En particulier, nous avons analysé cette exaltation à travers l'effet Purcell. Nous avons montré qu'une valeur déterministe et une mesure du facteur de Purcell dans une micro-cavité en semi-conducteur peuvent être obtenues en utilisant la diffusion Raman spontanée comme source interne. Un nouveau design de cavité supportant une double résonnance nous a permis d'observer une diffusion Raman stimulée à température ambiante sous une excitation continue. Ces résultats nous permettent de prévoir un seul laser inférieur à 100 mW si l'absorption par porteurs libres peut être rendue négligeable.This work of this thesis has been primarily devoted in the studies and the realization of a Raman laser based on silicon photonic crytal structures. We have shown that access ridge waveguides combined with the inverted tapers allow in optimise efficiently the experimental coupling of the light from an optical fibes into the photonic crystal. We have fabricated the photonic crystal cavities in membrane approach which have allowed to reach quality factor above 2 million with a modal volume of the order of cube wavelenght. The quality factor of photonic crystal cavities has been found dependent on the position of the photonic crystal waveguide used for the coupling. In parallel, the numerical modelings on a new design of the photonic crystal cavities in SOI approach have demonstrated an ultra-high quality factor above 8 000 000. we have observed a reshaping of the Raman spectrum and a more than tenfold enhancement of the Raman scattering efficiency in a W1 photonic crystal waveguide as compared to a single mode ridge waveguide. In particular, we have analysed this enhancement through the Purcell effect. We have shown that a deterministic value and measurement of the Purcell factor in a semiconductor microcavity can be obtained by using spontaneous Raman scattering as an internal source. A new design of a microcavity supporting a double resonance has allowed us to observe stimulated Raman scattering at room temperature under continuous excitation. The model, which accounts for stimulated scattering, two-photon absorption and free-carrier absorption, allows us to predict the onset of Raman lasing in silicon photonic crystals.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

Détecteur en silicium sur cristal photonique par absorption non linéaire à deux photons

L'optique non linéaire sur silicium a pris son essor en raison des nombreuses perspectives d'applications à l'optoélectronique en circuit intégré. Pour observer des effets non-linéaires sans travailler à des puissances trop élevées, il faut utiliser des résonateurs à très haut facteur de confinement optiques (Q/V). Les microcavités à cristal photonique bidimensionnel sont une technologie mature et planaire pour réaliser de tels résonateurs sur silicium. Au cours de cette thèse, nous avons travaillé sur une application des microcavités à cristal photonique à la détection télécom. Le silicium est en effet transparent dans cette plage de longueurs d'onde, sauf si on atteint des densités de puissance élevées, auquel cas l'absorption à deux photons intervient. Le principe du détecteur repose sur l'exaltation de absorption à deux photons grâce à la microcavité en cristal photonique. La collection des porteurs ainsi générés est assurée par une jonction latérale métal-semiconducteur-métal (MSM). Nous avons d'abord étudié numériquement la viabilité du concept du détecteur sous deux aspects : collection des porteurs libres à travers le cristal photonique et influence des métallisations sur le facteur de qualité. Les modèles standards pour le courant d'obscurité et le photocourant dans les photodétecteurs MSM ont été étendus pour tenir compte du cristal photonique. La fabrication d'une jonction MSM dans le cristal photonique a fait l objet d un travail approfondi en salle blanche de l IEF. La mesure du courant circulant dans le dispositif a permis de mettre en évidence un photocourant résonnant. On retiendra que la réponse peut alors atteindre 90 mA/W et que la bande-passante est supérieure au GHz. Outre la démonstration du détecteur en elle-même, des résultats originaux ont été obtenus. Nous avons montré qu'il est possible de contrôler les densités de porteurs dans les microcavités à cristal photonique en jouant sur la polarisation externe. Enfin, le détecteur est un moyen de mesurer certaines grandeurs essentielles de la physique des microcavités sur silicium, comme l absorption linéaire résiduelle ou la résistance thermique de la cavité.Silicon non linear optics is of considerable interest to the scientific community because of its applications to integrated optoelectronics. In order to observe non linear phenomena at a reasonable power, one has to work with very high confinement factor (Q/V) optical resonators. As they are now a fully mastered planar technology, two-dimensional photonic crystal microcavities are an efficient way of actually obtaining such resonators in silicon. In this thesis, an application of photonic crystal microcavities to telecom wavelength detection is demonstrated. Bulk silicon is transparent at these wavelengths, except when working at very high power density. Only then, two-photon absorption (TPA) becomes significant. In our detector, TPA is enhanced in the microcavity. A metal-semiconductor-metal (MSM) junction then ensures very fast carrier collection. We studied the physics of the detector and focused on two aspects: collection of carrier in a photonic crystal, and impact of the metal on the optical quality factor. Standard models for dark current and photocurrent in MSM junctions were adapted to the photonic crystal case study. Fabrication of the photonic crystal junction was carefully undertaken and optimized in the clean room of the IEF laboratory. The current circulating in the fabricated device resonates as the same wavelength as the optical cavity. Response can be as high as 90 mA/W, and the optical-electrical bandwidth is larger than 1 GHz. In addition to the demonstration of the detector, some original results were obtained. It is possible to control the carrier concentration in photonic crystal microcavities by tuning the external polarisation of the MSM junction. Finally, the detector allows one to measure important parameters of the physics of the cavity, such as the residual linear absorption coefficient, and the thermal resistance.PARIS11-SCD-Bib. électronique (914719901) / SudocSudocFranceF

Optical Analysis of p-Type Surface Conductivity in Diamond with Slotted Photonic Crystals

International audience2D slotted diamond‐based photonic crystals (PhCs) with Q factors up to 6500 are fabricated and optically characterized at 1550 nm in order to probe surface molecular modifications. This study focuses on the simplest surface modifications that can modify the diamond PhC optical properties, namely, hydrogenation and oxidation. Depending on the chemical surface termination, these diamond PhCs exhibit a strong modification of their spectral features. When the surface is tuned from oxidized to hydrogenated, a resonance wavelength shift of the cavity occurs and is accompanied by a decrease of the Q factor. Moreover, experimental evidence is given that this phenomenon is reversible, as the initial value of the Q factor is recovered when the surface is re‐oxidized. This is attributed to the subsurface conductive layer that is due to transfer doping in hydrogenated diamond and which is absent from oxidized diamond. Thanks to 3D finite differences in time domain (FDTD) simulations, an estimate of the effective refractive index of the surface conductive layer at 1.5 μm is given as a function of its thickness. This result highlights the high sensitivity of slotted diamond PhC and the importance of surface control for biosensing with diamond

Diamond 2D-photonic crystals for highly sensitive label-free biosensors

International audienceWe demonstrate design and fabrication of 2D diamond photonic crystals (PhC) allowing record bio-sensing sensitivities higher than surface plasmon resonance (SPR) state of the art. Polycrystalline diamond is probed directly from the surface with angular reflectivity measurements. A 2D PhC was designed with a mode frequency hardly varying with the interrogation angle. Optical experiments were performed at different angles and wavelengths to validate the simulations of the band diagram. The measured reflectivity spectrum is in good agreement with the simulated one