Étude de micro-structures utilisant le guidage réfractif à fort confinement de la lumière

par Kien Phan Huy

Thèse de doctorat en Optique et radiofréquence

Sous la direction de Pierre Benech et de Alain Morand.

Soutenue en 2005

à Grenoble INPG .

mots clés

Résumé

Les modes de galerie découverts par Lord Rayleigh en 1910 trouvent aujourd'hui des applications en optique intégrée sur silicium. Des cavités aux résonances extrêmes ont pu être intégrées sur silicium sur isolant (SOI) ou sur semi-conducteurs III-V. Ces composants permettent de réaliser des fonctions passives et actives pour la microélectronique, les télécommunications ou l'électrodynamique quantique en cavité. Avec ces nouvelles applications, de nouveaux composants faisant interagir le mode de galerie avec des éléments extérieurs comme un réseau de Bragg ou des guides optiques sont apparus. Les méthodes de modélisation de l'optique intégrée étant peu adaptées pour simuler ces cavités aux géométries particulières, nous avons développé deux modèles pour décrire ce type d'interaction. Le premier, basé sur le formalisme de Floquet-Bloch, permet de décrire des modes de galerie fortement perturbés par une modification géométrique de la cavité. Le second, basé sur une méthode de perturbation, permet de décrire des interactions de faible amplitude avec des objets extérieurs comme des guides optiques. Ces résultats ont été validés par une comparaison avec la méthode des différences finies en domaine temporel. Nos modèles ont ensuite été comparés aux réalisations expérimentales de fonctions passives sur SOI (filtres et démultiplexeurs) fabriquées au CEA-LETI, et de fonctions actives (Phosphure d'Indium et silice dopée Erbium) réalisées au LEOM ou au DRFMC. Nous avons ainsi pu caractériser des composants ayant des facteurs de qualité de 90000

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Titre traduit

High refractive index contrast optical microstructure study

Résumé

Lord Rayleigh's whispering-gallery mode, discovered in1910, finds new applications in silicon integrated optics. High-Q resonant cavities have been successfully made from silicon-on-insulator substrates (SOI) and III-V semiconductors. Therefore, passive and active components were realized for microelectronic, telecommunication or cavity quantum electrodynamics applications. Following this trend, some new components broke through having the whispering-gallery mode interacting with other components such as Bragg gratings or waveguides. As integrated optics modelization tools were not appropriate to simulate those new geometries, we have developed two semi-analytical models. The former, is based on Floquet-Bloch formalism, it computes the whispering-gallery modes that are strongly perturbed by a geometric modification of the cavity. The latter, is based on a perturbation method, it computes the weak perturbation induced by a close structure like a waveguide. Both methods were successfully compared to finite-difference time-domain computations. Our models have then been compared to experimental results from passive components on SOI substrate (filters and Add-Drop filters) made by CEA-LETI, and from active components (Indium Phosphure and Erbium doped silica) made by LEOM or DRFMC. We have thus measured 90000 Q-factor resonances