Etude théorique et expérimentale de cavités photoniques en niobate de lithium - Application à la détection de gaz

Abstract

In this thesis we show how photonic crystal cavities can exploited for sensing application, provided that they are filled with a sensitive absorbent layer. A Lorentz dispersion model implemented in a 2D-FDTD code show that the absorption of the layer can be exploited for enhancing the sensitivity of the sensor. We found that a variation of the refractive index of 10¯⁷ leads to a variation of the transmittivity of 23 % at the resonance peak. Also, we will report the first study and realization of two types of lithium niobate photonic cavities (LiNbOз PhCs). The choice of the LiNbOз substrate is motivated by its capability of combining piezoelectric, electro-optical, acousto-optical, non-linear optical properties, which offers the perspective of controlling the operating point of photonic devices such as sensors. The cavities were fabricated by focused ion beam (FIB) milling, on annealed proton exchange (APE) strip waveguide. Numerical analysis with plane wave expansion method (PWE) has been realized to define the lattice parameters of the studied structures. The parameters were chosen to obtain a resonance mode at λ=1550 nm. This study was followed by finite difference time domain (FDTD) simulations to extract the transmission and reflexion spectra of the cavities. Experimental setup was mounted to characterize the PhCs cavities, where the incident light consists of a supercontinuum powerful white source. In addition, experimental near field measurements (SNOM) show the presence of a resonance mode at the defect region of the cavity.Les travaux de thèse reposent sur l'étude et le développement des structures photoniques sur niobate de lithium pour des applications capteurs de gaz. L'originalité du travail est d'étudier l'effet de l'absorption des couches de porphyrines spécifiques à la détection du benzène et déposées sur le cristal photonique sur la réponse spectrale de ce dernier. En premier lieu, une étude théorique par des méthodes numériques, maîtrisées au laboratoire d'optique (FDTD, PWE), était nécessaire pour étudier l'effet de la présence de certains gaz sur la réponse spectrale des cristaux photoniques. Nous avons montré qu'avec la structure choisie, une variation de la transmission de 23 % est obtenue lorsque le système est exposé à 50 ppm de benzène. La sensibilité de la structure au benzène est estimée à 2.3 ppm. En second lieu, nous avons étudié des réalisations en salle blanche des structures photoniques. En utilisant la méthode de gravure directe par faisceau d'ions focalisé (FIB), on a réalisé plusieurs cavités photoniques sur des guides d'ondes optiques fabriqués en collaboration avec Photline Technologies. Un banc de caractérisation automatisé (interface GPIB) en réflexion et en transmission est monté pour vérifier les prédictions théoriques. En plus, des études théoriques et expérimentales en champ proche optique ont été réalisées pour mettre en évidence la résonance des cavités gravées sur niobate de lithium. Ainsi, ces études expérimentales sont les premières sur ce type de matériau