Coupleurs directifs asymétriques avec contrôle artificiel de la dispersion

Asymmetric directional coupler with an artificial controlled dispersion

• Auteur / Autrice : Kamal Muhieddine
• Direction : Anatole Lupu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Guides d'ondes

Télécommunications optiques

Silicium

Résumé

L’objet de cette étude concerne la conception et la modélisation de coupleurs directifs asymétriques (CDA) avec contrôle artificiel de la dispersion par structuration d’indice en vue de réalisation de filtres ultra-sélectifs en longueur d’ondes dans le domaine des télécommunications optiques autour de 1. 5µm. Le dispositif étudié est composé de deux guides d’ondes monomodes, d’indices effectifs différents avec une structuration périodique (réseau de Bragg) implémentée sur l’un des guides. Le réseau de Bragg modifie les propriétés dispersives du guide, ralentit la vitesse de propagation de la lumière sur ce guide et augmente ainsi l’indice de groupe au voisinage de la bande interdite. La réalisation d’un accord de phase entre les guides dans cette plage des longueurs d’onde résulte en un couplage de la lumière guide à guide dans une bande passante étroite. Une approche analytique développée dans le cadre d’un modèle basé sur une interaction quatre-ondes, décrite par la théorie des modes couplés pour un CDA assisté par réseau de Bragg, a permis de comprendre les propriétés essentielles d’un tel dispositif et de mettre en évidence des phénomènes inédits comme : l’influence de l’emplacement du réseau de Bragg sur les propriétés du CDA,l’existence d’une condition de seuil sur la force de réseau de Bragg pour l’accord de phase, la disparition de l’accord de phase pour un réseau de Bragg trop fort, la possibilité d’obtenir plusieurs accords de phase, l’effet d’adaptation de vitesse de groupe entre un mode lent et un mode rapide. Les modélisations effectuées des structures conçues dans les filières technologiques SOI et III-V, validées par des simulations numériques, ont démontré une augmentation d’un facteur trois de la sélectivité de ces dispositifs par rapport à l’état de l’art actuel.

The object of this study concerns the design and modelling of asymmetric directional couplers (ADC) with an artificial controlled dispersion. This control can be achieved by the introduction of a periodic perturbation to the effective index of at least one of the coupler’s guides. The basic goal is to design ultra-selective filters in wavelength in the field of optical telecommunications around 1. 5µm. The studied device consists of two monomode waveguides, with different effective indexes, and a periodic perturbation (Bragg grating) placed on one of the guides. The Bragg grating modifies the dispersive properties of the waveguide, slowing down the propagation speed of the light and increasing the group index in the neighbourhood of the band gap. The achievement of a phase matching condition between the two waveguides in this specific wavelength range, results in the transfer of the propagating light from one guide to the other in a narrow bandwidth. An analytical approach developed within a four waves interaction model, using the coupled modes theory for the study of a Bragg grating assisted ADC, has allowed the understanding of the essential and fundamental physical properties of such a device. It has also helped identify some unseen phenomena such as : the influence of the position of the Bragg grating on the properties of the ADC, the identification of a threshold coupling strength for the Bragg grating necessary for the phase matching condition, the vanishing of the phase matching conditions in the case of too strong Bragg gratings, the possibility of having multiple phase matching conditions, the group velocity adaptation between a slow propagating waveguide and a fast one. The modelling of the structures designed in the SOI and III-V materials have been validated by numerical simulations, showing a three times increase in the selectivity of these devices with regard to the current state of the art.