NonLinear Photonic Cristal waveguides

• Auteur / Autrice : Pierre Colman
• Direction : Isabelle Sagnes, Alfredo de Rossi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique fondamentale et appliquée
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique intégrée

Optique non linéaire

Cristaux photoniques

Résumé

Mon travail de thèse a porté sur l'étude des propriétés non-linéaires des guides en Cristaux Photoniques. Ces guides sont constitués d'un arrangement périodique de trous d'air gravés dans une membrane en semiconducteur. La structuration périodique ouvre une bande photonique interdite qui permet de concentrer la lumière sur de très petites surfaces (<2µm²) et de la ralentir. Ainsi, l'obtention de densités d'énergie équivalentes à des GW/cm² peut se faire en utilisant des diodes laser dont la puissance crête n’est que de quelques Watts. Cela ouvre de nombreuses perspectives en vue de l'intégration sur puce de nouvelles fonctions pour le traitement tout-optiques du signal. Nous nous sommes d'abord attachés à la maîtrise de la dispersion dans les guides en cristaux photoniques. Cet aspect est essentiel pour le contrôle de la dynamique des effets de propagation. Dans ce but, une nouvelle méthode de dessin a été proposée. Cela nous a permis d'observer la propagation d'un soliton dans un guide de seulement 1,5mm de long. Un soliton se propage sans subir aucun effet de distorsion, malgré une forte dispersion chromatique. Une de ses propriétés intéressantes est de pouvoir être compressé. Une impulsion de 3ps a ainsi été compressée jusqu'à une durée de 600fs. Le mélange à quatre ondes, où l'énergie d'une pompe est transférée vers un signal et un idler, a aussi été étudié. L'observation de ces effets n'a été possible que part le choix d'un matériau semi-conducteur approprié (GaInP), qui ne présente que très peu d'absorption non-linéaire. Enfin, nous avons aussi pu explorer d'autres effets tels que l’auto-décalage en fréquence, ou encore la radiation d'un soliton

The present work focused on non-linear propagation in Photonic Cristal waveguides. Photonic Crystals are composed of a semiconductor membrane patterned with a periodic air-hole structure. Owing to the Photonic Band Gap they exhibit, the light can then be confined on very small surfaces (<2µm²) and slowed down (ng>20). Hence power intensity of a few tens of GW/cm² are accessible using only Watt level input lasers, which can be provided by laser diodes. This opens up perspectives for on chip integration of all-optical function. Because dispersion controls the dynamics of nonlinear effects, we first aimed at a way to tailor it. Thus, we proposed a new design based on symmetry considerations; and we were able to obtain a large variety of dispersion features. Combined with efforts put on the reduction of propagation loss, especially the use of suitable semiconductor materials with minimised nonlinear absorption (e. G. GaInP), we observed for the first time the propagation of an optical soliton in a 1. 5mm-long PhC waveguide. A soliton propagates while preserving its shape, albeit the presence of a strong chromatic dispersion. This opens up access to the study others nonlinear propagation phenomena in the picosecond, Watt power regime. Thus we observed soliton-effect pulse compression where a 3ps pulse is compressed down to 600fs. We also investigated Four Wave Mixing process in the pulsed regime: the efficient parametric process resulted in a conversion efficiency of about 0dB. Finally, we observed new effects like a Raman-free Soliton Self Frequency Shift and optical Cherenkov Radiation in PhCs