Génération et étude de guides d'onde dynamiques et reconfigurables induits par illumination latérale

Study of reconfigurable light-induced waveguides induced by lateral illumination

• Auteur / Autrice : Mohamed Gorram
• Direction : Germano Montemezzani
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 25/06/2009
• Etablissement(s) : Metz
• 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 : Philippe Delaye
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marko Zgonik, Pierre Mathey, Mathieu Chauvet, Nicolas André Fressengeas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cristaux ferroélectriques

Effet photoréfractif

Guides d'ondes optiques

Mots clés libres

Guides optiques

Photo-inscription

Illumination transversale

Reconfiguration

Effet photoréfractif

Cristaux ferroélectriques

Electro-optique

Modification d'indice de réfraction

Beam Propagation Method (BPM)

SBN

SPS

LT

Résumé

La réalisation de réseaux optiques ne nécessitant pas l'intervention d'éléments électroniques pour la détection temporaire de signaux demande des éléments de routage et d'interconnexion optique, adaptables et reconfigurables en des temps courts, de l'ordre de la milliseconde dans le cas des réseaux de télécommunications. L'utilisation de guides d'onde optiques réalisés dans des matériaux actifs par des techniques conventionnelles telles que la diffusion d'ions, l'échange protonique ou l'implantation ionique se prêtent mal à ce but. Ces techniques donnent lieu exclusivement à des guides statiques, typiquement de surface qui ne sont pas facilement modifiables. La méthode de photo-inscription transversale développée dans le cadre de cette thèse permet de franchir un cap important vers la réalisation de dispositifs purement optiques dans les quels la lumière est utilisée pour guider et manipuler la lumière sans avoir recours à de complexes étapes de fabrication. L'avantage principal est que cet effet peut être effacé, donnant lieu à des structures dynamiques sans l'intervention d'endommagements permanents du matériau. Un autre avantage est la grande versatilité par rapport à la forme des guides qui est conditionnée par la structure imposée à l'illumination de contrôle perpendiculaire à la direction de propagation. La formation de guides d'onde reconfigurables planaires à une dimension (1D) transversale a été réalisée dans des cristaux ferroélectriques photoréfractifs comme le SrxBa1xNb2O6 (SBN) ou le Sn2P2S6 (SPS), dans les longueurs d'ondes du visible ([lambda] = 514 nm et [lambda] = 633 nm). Des temps de génération et de reconfiguration des guides de l'ordre de la milliseconde ont été atteints dans le SPS. La dynamique des guides a été étudiée en s'appuyant sur des traitements théoriques et des simulations numériques. Une nouvelle méthode pour la déflexion et la modulation se basant sur la photo-inscription de guides a été proposée et démontrée expérimentalement dans les matériaux SBN et LiTaO3. Nous avons aussi montré pour la première fois la possibilité de réaliser à l'aide de cette technique le confinement dans les deux dimensions (2D) transversales. Les études expérimentales concernant l'influence des intensités des illuminations de contrôle et du champ appliqué sur le profil du guide sont en bonne adéquation avec les prédictions théoriques concernant le mode fondamental attendu

The realization transparent achievement of optical networks that do not need electronic components for the temporary detection and regenration of signals asks for optical routing and interconnection elements which are reconfigurable in short time, in the order of milliseconds in the case telecommunications networks. The use of optical waveguides in active materials made of active materials by conventional techniques, such as ion-indiffusion, proton exchange or ion implantation is badly suitable for this goal. These techniques give rise only to static waveguides close to the material surface and they are not easily modified. The technique of light inducing waveguides by lateral illumination developed in this work allows to cross an important step towards purely optical devices in which light is used to guide and manipulate light without resorting to complex manufacturing steps. The main advantage is that this effect can be erased, giving rise to dynamic structures that do note cause a permanent damage of the material. Another advantage is the versatility with respect to the form of the waveguides, that is defined by the structure imposed to control the illumination perpendicular to the direction of propagation. The feasibility of reconfigurable 1-dimensional waveguides has been experimentally demonstrated in the electro-optic ferroelectric crystals SrxBa1xNb2O6 (SBN, x=0.61) and Sn2P2S6 (SPS). The illuminating wavelengths used were 514 nm for SBN and 633 nm for SPS. Response and reconfiguration times of the order of 1 ms are shown to be possible in the case of SPS. The dynamics of the waveguides has been studied on the basis of theoretical treatment and numerical simulations. The evolution of light induced one-dimensional waveguides when the sustaining electric field is switched off leads to a novel kind of dynamic light deflection. We have studied this effect in detail using SBN and LiTaO3 crystals. Simulations of the beam propagation in the split waveguide on the base of a simple model lead to a good agreement with the experimental observations. Light modulation by the help of this effect has been demonstrated as well. Finally, we realized for the first time, the recording of dynamically reconfigurable bulk channel waveguides confined in two dimensions using lateral illumination technique. The experimental studies of the dependence of the output probe wave profile on the intensities of two control waves and on the applied electric field were found to be in good agreement with the expectations based on a simplified step profile for the photorefractive by induced refractive index change and on mode calculations