Étude et réalisation d'un système bistable optique intrinsèque ultra-rapide

Study and realization of an ultra-fast all optical bistable device

• Auteur / Autrice : Hatem Chelli
• Direction : Suzanne Laval
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences appliquées. Électronique
• Date : Soutenance en 1986
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Suzanne Laval
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jacques Bauche, Nicole Paraire, Robert Frey, Suzanne Laval, André Antonetti
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jacques Bauche, Nicole Paraire

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bistabilité optique

Mots clés libres

Commutation ultra-rapide

Résumé

Cette thèse présente la réalisation et la caractérisation d’un dispositif entièrement optique permettant d'obtenir des commutations ultra-rapides. Le principe de fonctionnement est fondé sur l'existence d'effets non linéaires lors de la propagation d'ondes dans une structure stratifiée constituée d'un guide mince entre deux milieux semi-infinis. Nous avons effectué une étude expérimentale (en régime linéaire et non linéaire} des modes guidés par une structure dont le film est non linéaire alors que, dans la plupart des études présentées à ce jour, c'est un des milieux extérieurs qui est non linéaire. Le dispositif utilisé est constitué d'un film mince de silicium épitaxié sur du saphir. Le couplage avec une onde extérieure est réalisé par un réseau de diffraction de pas submicronique gravé dans le silicium. Ce réseau a été recouvert d'une mince couche métallique qui favorise le confinement et le renforcement du champ dans le guide. Un calcul d'optimisation de la structure guide d'onde a été réalisé pour permettre d'exciter les modes du guide des conditions optimales, en tenant compte de contraintes expérimentales. Des expériences d'excitation et de caractérisation des modes électriques et magnétiques du dispositif ont été réalisées en régime linéaire. Le fonctionnement en régime non linéaire du dispositif a été étudié en régime impulsionnel, des commutations de durée inférieure à 700 ps ont observées, tant sur l'onde réfléchie que sur l'onde guidée. Un modèle théorique, tenant compte des non linéarités induites par la création de paires électron-trou dans le silicium et de celles induites par l'échauffement du dispositif, a mis en évidence la compétition entre ces deux effets. Les simulations numériques effectuées à partir de ce modèle ont permis de décrire très précisément nos expériences. Ce modèle montre que les trois paramètres essentiels dont dépendent les phénomènes non linéaires observés, et en particulier le temps de commutation, sont: la forme temporelle de l'excitation, la géométrie du dispositif qui fixe les échanges thermiques avec l'extérieur et, la durée de vie des porteurs créés. En faisant varier la durée de l’excitation et/ou la durée de vie des porteurs libres, le modèle théorique permet de prévoir un fonctionnement bistable.

In this thesis, the realization and the characterization of an intrinsic optical device allowing ultrafast optical switching are presented. This work is based on the nonlinear effects which can be observed when optical waves propagate in a multilayer structure with thin film sandwiched between two semi-infinite media. Experimental studies are reported (in linear and nonlinear operation in which when the nonlinear part of the guiding structure is the film instead of the external media as considered in most of the studies performed up to date. The device structure consists of a silicon epitaxial layer grown on a sapphire substrate. A diffraction grating is etched on the silicon surface to allow light coupling in the silicon film. The grating is covered with a thin silver layer to get a better field enhancement in the waveguide. Taking into account the experimental constraints, numerical optimization of the waveguide structure has been realized to obtain guided modes excitation in optimal conditions. Experiments of excitation and characterization of the TE and TH device modes at low power have been performed. The nonlinear operation of the device has been studied using a Q-switched Nd-Yag laser. Switchings on the reflected beam and on the guided mode intensity have been observed with characteristic switching times lower than 700 ps. The switching time depends on the incident power and on the operating point. A theoretical model has been developed taking into account the competition between two effects: the electronic and thermal refractive index variation in silicon. The numerical analysis gives quite good description of the experimental results. It shows that nonlinear effects, and particularly the switching time, depend on three parameters: the temporal dependence of the excitation, the device geometry which determines thermal exchanges with the outside and the free carrier life time in the sample. When varying the duration of the excitation pulse and/or the free carrier life time, the theoretical model predicts bistable operation.