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

Etude de composants à cristaux photoniques dans la filière silicium pour les longueurs d'ondes des télécommunications optiques

Les cristaux photoniques sont des structures artificielles dont la constante diélectrique est rendue périodique. La propriété essentielle de ces structures est l'ouverture de bandes interdites photoniques pour lesquelles la propagation de la lumière n'est pas autorisée. Une bande interdite complète s'obtient selon certaines conditions portant sur le contraste d'indice, les dimensions et les symétries des réseaux. Ce travail de thèse est essentiellement consacré à l'étude et la réalisation de cristaux photoniques bidimensionnels à base de silicium pour les longueurs d'onde 1,3 - 1,55 [mu]m. Les dispositifs à cristaux photoniques planaires sont confinés par une variation d'indice dans la troisième direction. Deux approches sont envisagées : le fort confinement pour les microcavités et le faible confinement pour l'optique guidée. Nous avons réalisé des microcavités planaires à cristaux photoniques sur substrat SOI (silicium sur isolant) intégrant des boîtes quantiques Ge/Si. Nous avons montré une forte exaltation de la luminescence dans la gamme 1,3 - 1,55[mu]m, caractérisée par un comportement surlinéaire de l'émission. Cette forte augmentation est à la fois le résultat de l'extraction de la lumière par le cristal photonique, mais également la signature d'une forte localisation spatiale des porteurs de charge dans la microcavité. Nous avons également travaillé sur la réalisation de guide d'onde à cristaux photoniques de faible confinement vertical pour le guidage planaire, en utilisant deux technologies : la gravure photo-électrochimique et la gravure plasma ICP (Inductively Coupled Plasma). Nous avons montré la possibilité de réaliser des structures à cristal photonique à travers des guides épais SiGe (2 [mu]m) enterrés dans le silicium. Nous avons également modélisé de nouveaux cristaux photoniques tels que les pavages d'Archimède ou les approximants de quasi-cristaux dans le but d'obtenir le comportement le plus isotrope possible.Photonic crystals are structures with a periodic dielectric constant. The main properties of these structures are the opening of photonic band gaps for which light propagation is not allowed. A full photonic band gap depends on several conditions such as the refractive index contrast, the sizes and symetries of the lattices. This thesis reports on the study and fabrication of silicon-based 2D photonic crystal devices operating at the wavelengths of 1.3 - 1.55 m. Planar photonic crystals are confined by a refractive index variation in the third direction. Two types of confinement are considered: a high confinement for microcavities and a weak confinement for waveguides. We have studied planar photonic crystal microcavities fabricated on silicon-on-insulator substrates and incorporating Ge/Si self-assembled islands. We have shown a strong enhancement of the photoluminescence for the wavelengths between 1.3 - 1.55 [mu]m, with a superlinear behavior of the emission with the pump excitation. This strong increase of the photoluminescence is due both to the light diffraction induced by the photonic crystal and a strong spatial localization of carriers in the microcavity. The fabrication of photonic crystal waveguides with a weak vertical confinement for planar waveguiding was achieved by using two technologies : the photo-electrochemical etching and the TCP (Inductively Coupled Plasma) etching. We have shown the possibility of fabricating photonic crystal structures in thick SiGe layers (2 [mu]m) buried in silicon. We have also modelised novel photonic crystals such as Archimedean tilings or quasi-crystals approximates in order to obtain the most isotropic behavior. The band structures of a novel class of photonic crystals characterized by photonic band gaps and an isotropic behavior were simulated and analysed.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

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

MATERIAUX A BANDES PHOTONIQUES INTERDITES POUR L'OPTIQUE ET LES TERAHERTZ. REALISATION A BASE DE SILICIUM, ETUDE ET CARACTERISATION

UN MATERIAU A BANDE INTERDITE PHOTONIQUE OU CRISTAL PHOTONIQUE EST UNE STRUCTURE OU LA PERIODICITE SPATIALE DE LA CONSTANTE DIELECTRIQUE ENGENDRE DES PLAGES DE FREQUENCES PERMISES OU INTERDITES POUR LA PROPAGATION D'ONDES ELECTROMAGNETIQUES. TOUS LES DOMAINES DE LONGUEUR D'ONDE SONT CONCERNES, DU VISIBLE JUSQU'AUX ONDES CENTIMETRIQUES, AVEC UN EVENTAIL D'APPLICATIONS POTENTIELLES TOUT AUSSI VARIE. AU COURS DE CETTE THESE, DIFFERENTES TECHNIQUES D'ELABORATION SUR SILICIUM ONT ETE MISES AU POINT QUI PERMETTENT DESORMAIS DE REALISER DES STRUCTURES PERIODIQUES A DEUX OU TROIS DIMENSIONS AVEC UNE GRANDE SOUPLESSE QUANT A LA TAILLE ET A LA PERIODICITE DES MOTIFS. LES RESULTATS PRESENTES, NUMERIQUES ET EXPERIMENTAUX, COUVRENT AINSI PRES DE TROIS DECADES EN LONGUEUR D'ONDE EN ALLANT DU PROCHE INFRAROUGE AUX ONDES MILLIMETRIQUES. LES CRISTAUX BIDIMENSIONNELS SONT OBTENUS PAR PHOTO-ELECTROCHIMIE DU SILICIUM. CETTE TECHNIQUE DU SILICIUM MACROPOREUX DONNE DES GRAVURES PROFONDES AVEC DES FACTEURS D'ASPECTS SUPERIEURS A LA CENTAINE ET PEUT ETRE APPLIQUEE DEPUIS LE MOYEN INFRAROUGE JUSQU'AU PROCHE INFRAROUGE. CETTE TECHNIQUE A PERMIS DE DEMONTRER UNE BANDE INTERDITE PHOTONIQUE COMPLETE AUX LONGUEURS D'ONDE DES TELECOMMUNICATIONS (1,5 MICRONS). AU COURS DE CE TRAVAIL, DES CRITERES DE CHOIX POUR LES APPLICATIONS FUTURES DES CRISTAUX PHOTONIQUES BIDIMENSIONNELS ONT ETE APPORTES, NOTAMMENT PAR LA COMPARAISON DES DEUX RESEAUX, TRIANGULAIRE ET HEXAGONAL. CES CRITERES DE CHOIX SONT GENERAUX ET NE SE LIMITENT PAS AU SILICIUM MACROPOREUX. UNE TECHNIQUE DE FABRICATION PAR USINAGE MECANIQUE EST DEMONTREE POUR OBTENIR DES CRISTAUX TRIDIMENSIONNELS POUR LES ONDES MILLIMETRIQUE. CETTE TECHNIQUE A PERMIS D'ETUDIER L'INFLUENCE DES DEFAUTS INTERSTITIELS VOLONTAIREMENT INTRODUITS DANS LES STRUCTURES ET DE DEMONTRER LA POSSIBILITE DE CONTROLER DE L'EXTERIEUR LES NIVEAUX DE TRANSMISSION DE MODES DE DEFAUT.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

ETUDE ET REALISATION DES CRISTAUX PHOTONIQUES TRIDIMENSIONNELS PAR LITHOGRAPHIE PAR RAYONS X

ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

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

Photonic crystals, towards nanoscale photonic devices (second edition)

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