Contribution à l’exploration des propriétés dispersives et de polarisation de structures à cristaux photoniques graduels

Contribution to the exploration of dispersive and polarization properties of graded photonic crystal structures

• Auteur / Autrice : Khanh Van Do
• Direction : Éric Cassan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 24/10/2012
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Institut : Institut d'électronique fondamentale (Orsay, Essonne ; 19..-2016)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique fondamentale
• Jury : Président / Présidente : Anne Talneau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Cassan, Anne Talneau, Emmanuel Centeno, Olivier Vanbésien, Frédérique de Fornel, Alfredo de Rossi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Centeno, Olivier Vanbésien

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diversité de polarisation

Métamatériaux

Cristaux photoniques

Mots clés libres

Cristaux photoniques

Cristaux photoniques graduels

Optique hamiltonienne

Métamatériaux photoniques

Silicium sur isolant

Démultiplexage

Séparation des polarisations

Photonic crystals (PhCs)

Graded photonic crystals (GPhCs)

Hamiltonian optics

Photonic metamaterials

Silicon on insulator (SOI)

Wavelength demultiplexing

Polarization splitter

Résumé

Cette thèse apporte une contribution théorique et expérimentale à l'exploration des propriétés de dispersion et de polarisation de structures à cristaux photoniques à gradient (GPhCs). Nous explorons pour commencer la relation qui existe entre les déformations des surfaces équi-fréquences (EFS) de différents cristaux photoniques et les paramètres de maille des configurations envisagées. Compte tenu de la complexité des structures possibles obtenues à partir d'un chirp spatial bidimensionnel d'au moins un paramètre de maille, nous avons limité notre étude à un type particulier de structure basé sur un réseau carré de silicium sur isolant (SOI) planaire constitué de trous d'air de facteur de remplissage variable. Une expression analytique des EFS connexes en fonction du rayon des motifs a d’abord été extraite, et une structure GPhC de "référence" a ensuite été proposé pour l'exploration des propriétés de dispersion et de polarisation des GPhCs utilisant à la fois une approche consistant à propager un ou plusieurs rayons optiques dont les trajectoires sont données par les équations de l’optique Hamiltonienne et une approche tout numérique basée sur des simulations FDTD. Nous décrivons ensuite les processus de fabrication de salle blanche des structures à cristaux photoniques graduels, obtenues à partir de substrats semiconducteurs par lithographie par faisceau d'électrons et gravure ionique réactive. Les échantillons fabriqués sont étudiés expérimentalement par des techniques de mesure en champ lointain et en champ proche (SNOM) en s'appuyant sur une collaboration avec un autre groupe du CNRS. Les résultats expérimentaux montrent une relation dispersive quasi-linéaire de 0.25μm/nm dans la gamme de longueur d’onde allant de 1470nm à 1600nm. Les premiers dispositifs fabriqués présentent aussi la possibilité de séparer des couples de deux longueurs d'onde (démultiplexage) avec des pertes d'insertion faibles (inférieures à 2 dB) et un niveau de diaphonie faible (de l'ordre de -20 dB). Ils présentent également un effet très net de séparation des polarisations de la lumière avec une diaphonie inter-polarisations TE/TM de -27dB dans une bande spectrale de l’ordre de 70 nm. Au-delà de ces mesures optiques obtenus dans une configuration particulière de cristal photonique graduel, les travaux présentés dans cette thèse ont permis l'observation directe de la transition entre les régimes d’homogénéisation et de diffraction de propagation de la lumière dans un matériau optique artificiel tout diélectrique. Globalement, la méthodologie présentée et adoptée pour l'étude de la propagation de la lumière dans les structures étudiées a ouvert des perspectives pour la réalisation de fonctions optiques plus complexes.

This PhD thesis brings a theoretical and experimental contribution to the exploration of dispersive and polarization properties of graded photonic crystal (GPhC) structures. We first present a quantitative relationship between the deformations of the equi-frequency surfaces (EFSs) of different photonic crystals and the lattice parameters of the considered configurations. Considering the complexity of the possible GPhC structures made of a two-dimensional spatial chirp of at least one lattice parameter, we limit in this thesis our study to one particular type of GPhC structure based on a square lattice silicon on insulator (SOI) planar photonic crystal with a variable air hole filling factor profile. An analytical expression of the related EFSs as a function of the varied lattice parameter is extracted, and a GPhC “reference” structure is then proposed for the exploration of the dispersive and polarization properties of GPhCs using both Hamiltonian optic-assisted ray tracing as well as FDTD simulations. The clean room fabrication process of this GPhC structure family, which is based on electron beam lithography and reactive ion etching technologies, is reported. Fabricated samples are experimentally studied by far-field and near-field (SNOM) measurement techniques relying on a collaboration with a CNRS group of the Bourgogne university. Experimental results show an almost linear dispersive relationship of 0.25µm/nm in the 1470nm-1600nm spectral range. The fabricated samples also present the possibility for two-wavelength demultiplexing with low insertion loss (below 2dB) and low crosstalk level (around -20dB), and a polarization beam splitting effect with a crosstalk of -27dB in a 70nm bandwidth. Beyond these optical metrics obtained in one particular GPhC configuration, the works presented in this thesis have allowed the direct observation of the transition between the homogeneous and diffraction regimes of light propagation in an artificial optical all-dielectric material, and the presented and adopted methodology for the study of light propagation in GPhC structures has raised open perspectives for the realization of more complex optical functions in forthcoming works using low loss and flexible metamaterial-like photonic crystals.