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

Abstract

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