Etude théorique et expérimentale de cavités photoniques en niobate de lithium : appliquation à la détection de gaz

Theoretical and experimental study of lithium niobate photonic crystal cavities : Application for gas sensing

• Auteur / Autrice : Jean Dahdah
• Direction : Fadi Issam Baida
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et photonique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Besançon
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Franche-Comté. UFR des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux de capteurs (technologie)

Mots clés libres

Supercell

Résumé

Les travaux de thèses reposent sur l'étude et le développement des structurez 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 a laboratoire d'optique (FDTD, PWE), étaient nécessaires 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 de 23 % est obtenue lorsque le système est exposé à 50ppm de benzène. La sensibilité de la structure au benzène est estimée à 2,3ppm. 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 Photoline Technologies. Un banc de caractérisation automatisé (interface GPI) en réflexion et en transmission est monté pour vérifier les prédictions théoriques. En plus, les 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 matériaux.

In this thesis we show photonic crystal cavities can be exploited for sensing application, provided that theyare filled with a sensitive absorbent layer. A Lorentz dispersion model implementedin a 2D-FDTD code shoxw that the abbsorption 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 resonnance peak. Also, we will report the first study and realization of two types of tithium niobate photonic cavities (LiNbO3 PhCs). The choice of the LiNbO3 substrate is motived by its capability of combiningpiezoelectric, electro-optical, acousto-optical, non-linear optical properties, which offers the perspective of controlling the operating point of of photonic devices such as sensors. The cavities wre fabricated by focused ion beam (FIB) milling, on annealed proton exchange (APE) sttrip waveguide. Numerical analysis with plane wave expansion method (PWE) has been realized to define the lattice parameters of the studied structures. This study was followed by finite difference time domain (FDTD) simulations to extractthe transmission and reflexion spectra of the cavities. Experimental setup was mounted to characterize the PhCs cavities, wherethe incident light consists of a supercontiuum powerful white source. In addition, experimental near field measurements (SNOM) show the presence of resonnance mode at the defect region of the cavity