Etude d'une structure à cristal photonique "LOM" gravée dans un guide Ti liNbO3 dopé erbium pour l'émission de la lumière à 1.55 µm

Analysis of a Photonic-crystal structure “LOM” engraved in Ti Er LiNbO3 for 1.55 µm emission

• Auteur / Autrice : Robert Farha
• Direction : Qin Zou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et télécommunications
• Date : Soutenance le 20/09/2010
• Etablissement(s) : Evry, Institut national des télécommunications
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Université : Université Pierre et Marie Curie (Paris ; 1971-2017)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département Electronique et Physique - Services répartis- Architectures- MOdélisation- Validation- Administration des Réseaux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Télécommunications optiques

Erbium

Cristaux photoniques

Niobate de lithium

Mots clés libres

Cristaux photoniques

Purcell

Télécommunications optiques

Photonic crystals

Purcell

Telecommunications

Résumé

La réalisation d’un laser en optique intégrée sur niobate de lithium dopé erbium passe par la création d’une cavité Fabry-Pérot. Cette cavité peut être obtenue de manière classique en déposant des miroirs diélectriques multicouches aux extrémités du guide d’onde. Des problèmes de fiabilité de fabrications de ces miroirs peuvent être contournés en utilisant des réseaux de Bragg gravés à la surface du guide d’onde. Une autre approche, c’est un laser DFB bien connu, dans ce cas le cœur du guide à contraste d’indice, est structuré périodiquement par des réseaux de Bragg aussi gravés à la surface. Cette thèse présente une nouvelle configuration d’un cristal photonique (CP) 2D de forme originale LOM (pour Laterally Over-Modulated) pour remplacer les réseaux de Bragg gravés à la surface de guide d’onde de titane diffusé sur un substrat de niobate de lithium dopé erbium. Ce travail de thèse s'inscrit dans ce mouvement. Son but est la conception, la fabrication et la caractérisation de LOM, destinées à réaliser un laser émettant à λ = 1,55µm répondant aux exigences de l'intégration photonique. La structure LOM proposée vise en même temps : - Le renforcement de l’émission spontanée par effet Purcell dans un milieu amplificateur où le couplage, de la sur-modulation de l’indice optique CP1D (effet Bragg) et CP2D (BIP), replie les relations de dispersion et crée de fait des régions de faible vitesse de groupe. - Le remplacement de la configuration Fabry-Pérot nécessitant un dépôt de couche diélectrique par une structure DFB réalisable en une seule étape de fabrication, d’où le choix de la technologie FIB « Focused Ion Beam ». L’optimisation de LOM occupe une partie du travail. Des simulations numériques ont été menées en deux dimensions par un logiciel « RSoft », utilisant les techniques des ondes planes et FDTD, pour obtenir un meilleur rendement de transmission possible autour de 1.55µm. En accord avec les simulations, nous présentons la réalisation et la caractérisation de LOM dans un guide d’onde Er:Ti:LiNbO3 de coupe X propagation Z pompé à 980nm par une diode laser continue. Un gain d’amplification de 9 dB a été obtenu pour un LOM de 780 trous d’air de diamètre 290nm et de période 540nm constituant une surface de (22µm X 9µm). L’étape suivante consiste à améliorer le LOM pour arriver à créer un laser intégré.

Achieving an erbium doped lithium niobate integrated optical laser needs to create a classic Fabry-Perot cavity or a distributed feedback structure (DFB). The Fabry-Perot cavity can be obtained by a multilayer dielectric mirrors at the ends of the waveguide. In the DFB Structure the waveguide is structured periodically by a surface Bragg gratings. This thesis presents a new structure of a 2D photonic crystals (PC) form called LOM (Laterally Over- Modulated) to replace Bragg gratings. The objective of this thesis is the design, manufacture and characterisation of the LOM structure, intended to achieve a LiNbO3 integrated laser emitting at 1.55μm. The proposed LOM structure aims at the same time: - To enhance the spontaneous emission by Purcell effect in Er:LiNbO3 area where LOM structure allows fold dispersion relations and create regions of low group velocity. - To replace the Fabry-Pérot structure by a LOM requiring only one-step growth, where the choice of FIB "Focused Ion Beam" technology. Optimization of the LOM structure occupies part of the work. Numerical calculations were conducted by "RSoft" software, using plan-waves and FDTD techniques, for maximum transmission around 1.55μm. Finally, we present the achievement and the characterisation of our LOM structure in a x-cut and z-propagating Ti:Er:LiNbO3 waveguide using 980nm pump. A 9 dB gain was obtained for a LOM sample (22 μmX9 μm) formed by 780 air holes of diameter D=290 nm and period a=540 nm. The next step is to improve the LOM structure to create an integrated laser.