Compact optical circulator based on a uniformly magnetized ring cavity

International audienceWe propose a new class of compact integrated optical circulators providing a large isolation level while maintaining a straightforward technological feasibility. Their layout is based on a nonreciprocal radial Bragg cavity composed of concentric magneto-optical rings. The circulator ports are standard rib waveguides, butt-coupled to the cavity by cutting through its outer rings. The device is specifically designed for operation in a uniform external magnetic field. Using a coupled-mode description of the complete cavity/waveguide-port system, we explore the rich behaviour of cavity circulators in presence of varying levels of direct port-to-port coupling. We demonstrate numerically a strongly miniaturized two-dimensional cavity circulator, with a total footprint of less than (10λ)2, achieving a 20-dB isolation level at telecom frequencies over a bandwidth of 130 GHz. The device is found to be very tolerant with respect to fabrication imperfections. We finish with an outlook on three-dimensional versions of the proposed nonreciprocal cavities

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

Conception et réalisation de composants non-réciproques planaires à base de matériaux magnéto-optiques

Les dispositifs non-réciproques tels que l'isolateur ou le circulateur optique sont des éléments clés de l'intégration photonique. Du fait de l'absence de ces fonctions en version intégrée, l'insertion de sources laser ou d'amplificateurs dans un circuit photonique nécessite de respecter des compromis entre puissance émise et éventuels retours optiques dus aux autres éléments (passifs ou actifs) présents sur le chemin optique. La disponibilité d'une structure d'isolateur fonctionnant en optique guidée devrait assouplir les contraintes de conception et permettre d'augmenter le degré d'intégration d'un circuit photonique. Le principe de fonctionnement de ces structures non-réciproques le mieux adapté à l'optique guidée est basé sur l'effet Magnéto-Optique Kerr (MOKE) transverse, généré par réflexion sur des matériaux oxydes magnétiques tels que les grenats, ou sur des métaux ferromagnétiques tels que le FeCo. L'avantage des grenats magnéto-optiques (MO) est leur transparence aux longueurs d'onde des télécoms. En revanche leur effet MO est de faible intensité et les composants basés sur ces matériaux sont actuellement de plusieurs millimètres de long. Pour cette raison nous nous sommes intéressés à une structure de cavité en anneaux, résonnante et compacte en grenat de Bismuth et Fer (BIG). En parallèle l'isolateur à base d'un guide d'onde en multicouche semiconductrice et le réseau en FeCo a été étudiée. Nous avons considéré simultanément les aspects de conception et de fabrication de ces composants afin d'obtenir le meilleur compromis entre performance et technologie. Dans ce travail nous présentons une première conception et réalisation du circulateur en anneaux et de l'isolateur en guide avec le réseau ferromagnétique.Non-reciprocal functions like optical isolation or circulation are expected to significantly increase the integratio capabilities and the number of integrated elements in photonic circuits. For example, the use of such functions in optical circuits allows inserting emitting sources like laser or amplifiers without risk of performance degradation due to internai feedback. For integrated optic, the most promising isolator or circulator principle consists in using transverse magneto-optical Kerr effect (MOKE), in garnet based devices or in ferromagnetic metal based semiconductor amplifier. Garnet based waveguide presents the advantage of low optical losses at telecom wavelength. But the relatively low magneto-optical strength has led to large devices like a several millimetres long interferometer. Here we have focused our work on resonant circulator in order to obtain non-reciprocal behaviour in a compact cavity and in parallel we have studied the semiconductor waveguide with FeCo Bragg grating. We have simultaneously considered device design and fabrication in order to establish the best compromise between performance and technology.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

Circuits intégrés photoniques utilisant la plasmonique

Le développement de circuits photoniques intégrés, compacts et multifonctionnels est essentiel pour augmenter la capacité de traitement des signaux tout optiques pour les communications, la gestion des données ou les microsystèmes. La plasmonique apporte la compacité à de nombreuses fonctions photoniques. Cet article fait le point sur les stratégies d’intégration des structures plasmoniques sur des guides d’onde diélectriques, et montre par quelques exemples la diversité et le potentiel applicatif des fonctions plasmoniques intégrées. Une première partie en présente les principes physiques fondamentaux, et la seconde décrit plusieurs exemples de réalisation

Integration of Plasmonic Structures in Photonic Waveguides Enables Novel Electromagnetic Functionalities in Photonic Circuits

The development of integrated, compact, and multifunctional photonic circuits is crucial in increasing the capacity of all-optical signal processing for communications, data management, and microsystems. Plasmonics brings compactness to numerous photonic functions, but its integration into circuits is not straightforward due to insertion losses and poor mode matching. The purpose of this article is to detail the integration strategies of plasmonic structures on dielectric waveguides, and to show through some examples the variety and the application prospect of integrated plasmonic functions

Improved PDMS mold fabrication by direct etch with nanosphere self-assembly mask for Soft UV-NIL subwavelength metasurfaces fabrication

International audienceWith the increased relevance of metasurface for optical applications, a fabrication method that allows for both large surface and 100 nm range dimensions at a low cost is required for their development. Due to its high throughput and small structuration capabilities, Soft Nanoimprint Lithography is a good canditate as fabrication method for these type of devices. But its application for metasurfaces at visible wavelengths has been hindered by the necessity to use low-viscosity PDMS in order to reach the dimensions required, making the final stamp more fragile and the process more expensive. Here we propose a PDMS mold fabrication method which relies on selfassembly masking of the PDMS followed by direct etching of the mold, decorrelating the minimum dimension attainable from the PDMS viscosity. We characterize a metasurface fabricated using a mold obtained with our method validating its use for nanofabrication of large surface devices

Couplage entre un guide d'onde diélectrique et un guide à plasmon de surface localisé (conception, fabrication et caractérisation)

Ce travail de thèse présente une étude théorique, numérique et expérimentale de l intégration sur un guide d onde diélectrique de chaînes de nanoparticules d or supportant des résonances plasmon de surface localisé . Les guides d onde à plasmon de surface localisé procurent un confinement sub-longueur d onde de la lumière, ce qui permet d envisager la réalisation de composants optiques ultra-compacts. Cependant, leurs pertes optiques élevées restreignent leur application à de courtes distances de propagation, contrairement aux guides d onde diélectriques. Une combinaison judicieuse des deux types de guide doit donc permettre de bénéficier de leurs avantages respectifs. Dans un premier temps, nous avons étudié théoriquement les propriétés des chaînes des nanoparticules grâce à un modèle analytique basé sur l approximation de dipôles ponctuels couplés, que nous avons développé. Cette étude a permis de déterminer la forme et les dimensions des nanoparticules qui ont ensuite été introduites dans un logiciel de FDTD pour simuler le couplage entre la chaîne de nanoparticules et le guide diélectrique (SOI ou en Si3N4). De cette étude numérique, nous avons déduit les géométries des structures à fabriquer. Les structures réalisées ont été caractérisées à l aide d un banc de transmission résolue spectralement, mis en place pendant cette thèse, et d un système de mesures en champ proche optique en collaboration avec le LNIO (Troyes). Pour la première fois, nous avons montré expérimentalement les propriétés d une chaîne courte de nanoparticules intégrée sur un guide SOI, ainsi que le phénomène de guides couplés entre une chaîne longue de nanoparticules et un guide SOI. Une valeur record de la constante de couplage a été obtenue, et ce, aux longueurs d onde des télécoms (proche infrarouge). L énergie lumineuse transportée par le mode TE du guide SOI peut ainsi être entièrement transférée au guide plasmonique en 4 ou 5 nanoparticules, soit une distance de propagation de moins de 600 nm. Nous avons également étudié les propriétés de réseaux de Bragg à base de plasmon de surface localisé en confrontant les résultats de mesures de transmission résolue spectralement aux résultats théoriques d un modèle analytique basé à la fois sur l approximation de dipôle ponctuel en régime quasi-statique et la théorie des modes couplés. Ces travaux ouvrent la voie à des applications de pinces optiques, de capteurs ou de spaser, qui bénéficieront de l intégration de nanoparticules métalliques dans les circuits photoniques.This PhD work presents a theoretical, numerical and experimental study of the integration of a gold nanoparticle chain supporting "localized surface plasmon resonances" on a dielectric waveguide. The localized surface plasmon allows a sub-wavelength confinement of light which could lead to the achievement of ultra-compact optical components. However, the high level of optical losses restricts their application to short propagating distances unlike dielectric waveguides. A judicious combination of both types of guides should therefore allow taking profit of their respective advantages. Firstly, we have theoretically studied the properties of nanoparticles chains using an analytical model that we have developed following the coupled dipoles approximation. This has helped us to determine the shape and size of nanoparticles, which have been further used in a FDTD software, to simulate the coupling between the chain and the dielectric waveguide (SOI or Si3N4). Using this numerical study, we have deduced the geometries of structures to be fabricated. The realized structures have been characterized using a spectrally resolved transmission set-up, built during this thesis, and an optical near field measurement set-up (collaboration LNIO Troyes). For the first time, we have experimentally shown the properties of short nanoparticle chains integrated on a SOI waveguide as well as the existence of a coupled waveguide phenomenon between long nanoparticle chains and SOI waveguides. A record value has been obtained for the coupling constant at telecom wavelengths (near infrared). The light energy carried by the TE mode of the SOI waveguide can be completely transferred into the plasmonic waveguide via the first 4 or 5 nanoparticles of the chain, which means a distance of less than 600 nm. We have also studied the properties of Bragg gratings based on localized surface plasmon. Experimental results from spectrally resolved transmission measurements have been compared to theoretical results obtained from an analytical model based on the point dipole approximation in quasi-static regime, on one hand, and using the coupled mode theory, on the other hand. This work opens the way for applications to optical tweezers, sensors or spasers, which will benefit from the integration of metal nanoparticles in photonic circuits.PARIS11-SCD-Bib. électronique (914719901) / SudocSudocFranceF

Metallic nanoparticle chains on dielectric waveguides: coupled and uncoupled situations compared

International audienceWe investigate the optical behaviors of metallic nanoparticle (MNP) chains supporting localized surface plasmon (LSP) for different distances between particles. MNPs are excited through the fundamental TE mode of a silicon waveguide. Finite difference time domain (FDTD) calculations and optical power transmission measurements reveal three different behaviors. For short distances between particles, dipolar coupling occurs, and the MNP chain behaves as a waveguide. For the longest distances, nanoparticles are uncoupled, and the MNP chain acts as a LSP Bragg grating. Finally, for intermediate distances, we observe one behavior at a time, i.e. dipolar coupling or LSP Bragg reflection. There is only a small range of wavelengths within which both behaviors can coexist