Structure de guides d'onde photo-induits et analogies quantiques

Photoinduced waveguide structures and quantum analogies

• Auteur / Autrice : Charles Ciret
• Direction : Germano Montemezzani, Virginie Coda
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 26/09/2013
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMOPS - Laboratoire Matériaux Optiques, Photoniques et Systèmes (Metz)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Pauliat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nadia Belabas, Kien Phan Huy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stefania Residori, Nikolay Vitanov

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique quantique

Guides d'ondes

Mots clés libres

Propagation guidée de la lumière

Analogies

Technique d'illumination latérale

Résumé

La propagation de lumière dans un réseau de guides s'effectue par couplages successifs et diffère ainsi fortement de la propagation en milieu libre. De plus, il existe, entre le formalisme du couplage optique décrivant cette propagation, de grandes similarités avec l'équation de Schrödinger. Nous utilisons ces similarités pour réaliser, dans des structures optiques composées de guides d'ondes, des analogies à des phénomènes quantiques. Les guides d'ondes sont analogues à des niveaux discrets d'énergie tandis que les constantes de couplage entre les guides sont analogues aux fréquences de Rabi des pulses laser couplant ces niveaux d'énergie. Pour la démonstration de ces analogies riches d'enseignement et potentiellement attractives pour des applications, il est intéressant de pouvoir disposer de structures optiques polyvalentes pouvant être reconfigurées. Notre approche est basée sur la réalisation de ces structures par la technique d'illumination latérale développée au laboratoire. Contrairement à la majorité des techniques d'inscriptions classiques (CVD, échange d'ions, inscription par laser femtoseconde, etc.) qui conduisent à des structures fixes et très difficilement modifiables, cette technique donne des structures reconfigurables. Elle consiste en l'éclairement contrôlé d'un cristal photoréfractif soumis à un champ électrique, permettant d'inscrire des guides grâce à la photo-conductivité du matériau et à l'effet Pockels. Dès lors, nous montrons qu'il est possible de réaliser au sein du même cristal, différentes structures de réseaux de guides, de design, périodicités et contrastes d'indice différents. Nous mettons ensuite à profit ces différents résultats pour la démonstration d'analogies à des effets quantiques. En premier lieu nous démontrons un transfert adiabatique de lumière similaire au phénomène de STIRAP ("STImulated Raman Adiabatic Passage"). La lumière, couplée à l'entrée dans un guide, est transférée à un guide de sortie éloigné, à travers plusieurs guides intermédiaires (jusqu'à neuf) si les constantes de couplage sont modulées longitudinalement dans un ordre dit "contre-intuitif". Nous utilisons ensuite ce transfert adiabatique de lumière pour la réalisation d'un diviseur de faisceau multi-ports, dont les ratios d'intensité dans les ports de sorties sont déterminés par le rapport des constantes de couplage de la structure. Nous démontrons également que ce diviseur de faisceau est très robuste et très largement achromatique sur plus de 200 nm. Puis, nous réalisons une analogie au phénomène d'EIT ("Electromagnetically Induced Transparency") dans une structure optique composée de trois guides. La présence d'un troisième guide très proche du deuxième empêche tout transfert de lumière depuis le premier guide qui devient alors "transparent". Enfin, en créant un désaccord dans les constantes de propagation longitudinale des trois guides, le transfert de lumière peut être réactivé pour deux valeurs particulières du désaccord, similairement à l'effet quantique Autler-Townes

The propagation of light in an array of waveguides differs strongly from the one in free space. In coupled waveguides, light propagation can be described using a coupled wave theory leading to an equation similar to the Schrödinger equation. We use this similarity in order to study optical-quantum analogies in waveguides array. Waveguides are analogous to discrete energy levels whereas coupling constants between the waveguides are similar to the Rabi frequencies of pulses that couple these levels. In order to demonstrate these analogies, versatile structures are highly desirable. However, all conventional techniques of waveguide inscription (CVD, ion/proton exchange or photo-inscription using femtosecond laser) provide static and non reconfigurable structures. Our approach is based on a proper lateral illumination of a biased photorefractive crystal. The photo-induction of the structure is possible thanks to the crystal photo-conductivity and the Pockels effect. Thus, we show that, using our approach, different versatile structures can be realized in the same sample. We use these structures in order to demonstrate different quantum optical analogies. Firstly, we investigate an optical analogy to the STIRAP effect (STImulated Raman Adiabatic Passage). The light, initially injected into the first waveguide, is transferred to the last waveguide through an array composed of up to nine waveguides. This transfer is achieved only if the longitudinally modulated coupling constants are arranged in a counter-intuitive order. Moreover, we use this analogy to demonstrate theoretically and experimentally an achromatic beam splitter where the intensity ratio in the output ports depends only on the ratio of the coupling constants. We also realize an analogy to the EIT effect (Electromagnetically Induced Transparency) in an optical structure composed of three coupled waveguides. If the third waveguide is placed very close to the second one, light transfer from the first becomes "transparent". Finally, we demonstrate that by detuning the propagation constant of the first waveguide, the light transfer can be re-activated for two particular values of the detuning in analogy to the Autler-Townes effect