Direct dark mode excitation by symmetry matching of a single-particle based metasurface

This paper makes evidence for direct dark mode excitation mechanism in a metasurface structure. The dark mode excitation mechanism is entirely determined by structures' symmetry and does not depend on near-field coupling between elements. In our examples, we consider single element based metasurface composed of two V antennas connected in an anti-symmetric arrangement. Both experimental and modeling results show an efficient excitation of magnetic dipolar mode in such structures. The direct dark mode excitation mechanism provides a design that is more robust with respect to technology imperfections. The considered approach opens promising perspectives for new type of nanostructure designs and greatly relaxes fabrication constraints for the optical domain.Comment: 21 pages, 5 figure

Ultra-compact on-chip metaline-based 1.3/1.6 μm wavelength demultiplexer

International audienceIn this article, we report an experimental demonstration of enabling technology exploiting resonant properties of plasmonic nanoparticles, for the realization of wavelength sensitive ultra-minituarized (4×4 µm) optical metadevices. To this end the example of a 1.3/1.6 µm wavelength demultiplexer is considered. Its technological implementation is based on the integration of gold cut wire based metalines on the top of a silicon on insulator waveguide. The plasmonic metalines modify locally the effective index of the Si waveguide and thus allow for the implementation of wavelength dependent optical pathways. The 1.3/1.6µm wavelength separation with extinction ratio between two demultiplexer's channels reaching up to 20dB is experimentally demonstrated. The considered approach, which can be readily adapted to other planar lightwave circuits platforms and nanoresonators of different types of materials, is suited for the implementation of a generic family of wavelength sensitive guided wave optical metadevices. http://dx

Restoring robust binary switching operation and exceptional point using long-period grating-assisted parity-time symmetric couplers

International audienceThe impact of imbalance in waveguides propagation constants among Parity-Time symmetric coupled waveguides and/or of a complex-valued coupling coefficient is assessed. The narrow tolerance found implies that attempts to tightly control waveguides parameters appear as elusive because of fabrication technology limitations, calling for more feasible mitigation avenues. It is shown that a grating-assisted Parity-Time symmetric coupler design restores both technologically robust binary switching operation and exceptional point. In addition the proposed design is compatible with birefringence compensation techniques providing polarization-independent operation as well as coupling and/or gain-loss profile modulation techniques that extend the control of switching operation in the Parity-Time symmetric phase. Using wavelength as an additional tuning parameter near exceptional points opens promising avenues for manipulating the trajectory on Riemann sheets in topological photonics applications

High-Q Fano resonances via direct excitation of an antisymmetric dark mode

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Optimisation de cristaux photoniques pour l'optique non linéaire

Ce travail de thèse constitue une contribution théorique et expérimentale aux études sur les cristaux photoniques et leur utilisation en optique non linéaire. Les cristaux photoniques sont des matériaux artificiels présentant des périodicités d'indice de réfraction à l'échelle de la longueur d'onde dans une, deux ou trois directions de l'espace. En contrôlant les paramètres physiques de ces structures (périodicité, motifs, facteur de remplissage...), il est possible de réaliser une véritable ingénierie des propriétés dispersives de la matière. Dans ce travail, nous étudions les propriétés de dispersion anormales et uniques de ces cristaux photoniques afin de les utiliser dans des structures en matériaux présentant de grandes non linéarités optiques. Un important travail de modélisation pour déterminer la distribution du champ électromagnétique dans des structures 1D d épaisseur limitée a été effectué. Nous avons défini un indice effectif global à partir duquel on peut raisonner facilement pour déterminer les conditions d accord de phase nécessaires à l'obtention d'interactions non linéaires du second ordre efficaces. Une généralisation de ces calculs à des structures planaires (1,5D) nous a permis de dimensionner une structure guidante gravée dans une couche de GaN déposée sur saphir, matériau très prometteur, pour l'exaltation de la génération de la seconde harmonique : une ébauche de réalisation est présentée. D'autre part, nous avons caractérisé par des techniques non destructives de couplage par la surface, des cristaux photoniques 2D réalisés dans des substrats de SOI. Les techniques utilisées sont l ellipsométrie spectroscopique et la spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier (s-FTIR). ). Aux grandes longueurs d ondes nous avons observé que ces cristaux photoniques se comportaient comme des matériaux homogènes isotropes dans le plan des couches, ce qui nous a permis de leur affecter, avec une grande précision, un indice moyen, d'où il est possible de remonter au facteur de remplissage : ces méthodes pourront donc être utilisées pour vérifier le remplissage des trous de telles structures par des matériaux optiquement actifs. Elles nous ont également permis de tracer des courbes de dispersion expérimentalement. Les résultats obtenus et l analyse des conditions aux limites zone gravée/zone non gravée ont de plus permis de mettre en évidence les modes des cristaux photoniques situés sous le cône de lumière et supposés jusqu ici invisibles en optique diffractive. Les techniques de couplage par la surface, précises et non destructives mises au point permettent donc de déterminer les conditions expérimentales les meilleures pour observer des effets non linéaires renforcés ainsi qu une caractérisation macroscopique in-situ de cristaux photoniques lors d un procès de fabrication ou de modification d un des matériaux constitutifs.This thesis is a contribution to the theoretical and experimental studies on photonic crystals for use in non-linear optics. Photonic crystals are artificial materials exhibiting periodic changes of their refractive index in one, two or three directions in space, with lattice dimensions of the order of the light wavelength, which offer efficient ways of moulding light propagation. The aim of this PhD thesis is to demonstrate that controlling the physical parameters of these structures (periodicity, pattern, filling factor ...) makes feasible the engineering of the dispersion and can be advantageously used to enhance nonlinear interactions between light and matter. An important modelling work has been carried out to determine the electromagnetic field distribution in 1D limited structures. We have defined an effective global index which makes easier the phase matching condition determination, necessary for efficient second order non linear interactions. Modelling has been extended to planar structures (1.5D) and has allowed structuring a layer of GaN deposited on sapphire substrate for the exaltation of second harmonic generation : a first-step realization is presented. Moreover, we report a non-destructive characterization of planar two-dimensional (2D) photonic crystals made in silicon on insulator (SOI) wafers using ellipsometric or Fourier transformed infrared (FTIR) spectroscopy. These surface coupling techniques have enabled us to draw experimentally dispersion curves. Indeed, boundary conditions at the surface and at the border of the etched area of the slab, allow the excitation of guided modes via diffraction phenomena and the determination of the structure band diagram above and below the light cone. These non-destructive techniques, usable for non-active materials, allow fast characterization of technical processes and the location in reciprocal space of areas with unique dispersion properties to determine the best experimental conditions for observing nonlinear effects. This will be done in SOI when the holes are filled by a non-linear material (doped polymer). At large wavelengths, devices behave as homogeneous isotropic materials which can be characterized by an effective filling factor : experimental results using both methods give coherent results : The hole filling can then be checked by the methods developed here.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

Coupleurs directifs asymétriques avec contrôle artificiel de la dispersion

L objet de cette étude concerne la conception et la modélisation de coupleurs directifs asymétriques (CDA) avec contrôle artificiel de la dispersion par structuration d indice en vue de réalisation de filtres ultra-sélectifs en longueur d ondes dans le domaine des télécommunications optiques autour de 1.5 m. Le dispositif étudié est composé de deux guides d ondes monomodes, d indices effectifs différents avec une structuration périodique (réseau de Bragg) implémentée sur l un des guides. Le réseau de Bragg modifie les propriétés dispersives du guide, ralentit la vitesse de propagation de la lumière sur ce guide et augmente ainsi l indice de groupe au voisinage de la bande interdite. La réalisation d un accord de phase entre les guides dans cette plage des longueurs d onde résulte en un couplage de la lumière guide à guide dans une bande passante étroite. Une approche analytique développée dans le cadre d un modèle basé sur une interaction quatre-ondes, décrite par la théorie des modes couplés pour un CDA assisté par réseau de Bragg, a permis de comprendre les propriétés essentielles d un tel dispositif et de mettre en évidence des phénomènes inédits comme : l influence de l emplacement du réseau de Bragg sur les propriétés du CDA,l existence d une condition de seuil sur la force de réseau de Bragg pour l accord de phase, la disparition de l accord de phase pour un réseau de Bragg trop fort, la possibilité d obtenir plusieurs accords de phase, l effet d adaptation de vitesse de groupe entre un mode lent et un mode rapide. Les modélisations effectuées des structures conçues dans les filières technologiques SOI et III-V, validées par des simulations numériques, ont démontré une augmentation d un facteur trois de la sélectivité de ces dispositifs par rapport à l état de l art actuel.The object of this study concerns the design and modelling of asymmetric directional couplers (ADC) with an artificial controlled dispersion. This control can be achieved by the introduction of a periodic perturbation to the effective index of at least one of the coupler s guides. The basic goal is to design ultra-selective filters in wavelength in the field of optical telecommunications around 1.5 m. The studied device consists of two monomode waveguides, with different effective indexes, and a periodic perturbation (Bragg grating) placed on one of the guides. The Bragg grating modifies the dispersive properties of the waveguide, slowing down the propagation speed of the light and increasing the group index in the neighbourhood of the band gap. The achievement of a phase matching condition between the two waveguides in this specific wavelength range, results in the transfer of the propagating light from one guide to the other in a narrow bandwidth. An analytical approach developed within a four waves interaction model, using the coupled modes theory for the study of a Bragg grating assisted ADC, has allowed the understanding of the essential and fundamental physical properties of such a device. It has also helped identify some unseen phenomena such as : the influence of the position of the Bragg grating on the properties of the ADC, the identification of a threshold coupling strength for the Bragg grating necessary for the phase matching condition, the vanishing of the phase matching conditions in the case of too strong Bragg gratings, the possibility of having multiple phase matching conditions, the group velocity adaptation between a slow propagating waveguide and a fast one. The modelling of the structures designed in the SOI and III-V materials have been validated by numerical simulations, showing a three times increase in the selectivity of these devices with regard to the current state of the art.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

Using PT-Symmetry in Plasmonic Systems for Switching and Dynamic Memory Applications (Orale)

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PT Symmetry Based Functional Devices for Integrated Optics (Orale)

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