Couplages acousto-optiques dans les cristaux photoniques et phononiques

Acousto-optic couplings in photonic and phononic crystals

• Auteur / Autrice : Quentin Rolland
• Direction : Jean-Claude Kastelik, Joseph Gazalet, Samuel Dupont
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique. Micro et nano technologie
• Date : Soutenance le 12/12/2013
• Etablissement(s) : Valenciennes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille ; 1992-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Partenaire(s) de recherche : Pôle de recherche et d'enseignement supérieur (PRES) : Communauté d'universités et d'établissements Lille Nord de France (2009-2013)
• Jury : Président / Présidente : Vincent Laude
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Claude Kastelik, Joseph Gazalet, Samuel Dupont, Hong Wu Li, André Pérennou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hong Wu Li, André Pérennou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Matériaux nanostructurés

Cristaux phononiques

Cristaux photoniques

Acoustooptique

Mots clés libres

Cristaux phoXoniques

Anisotropie

Silicium

Niobate de lithium

Phoxonic crystals

Anisotropy

Silicon

Lithium niobate

Résumé

Cette thèse concerne l’étude théorique des mécanismes de couplage acousto-optique dans les matériaux nanostructurés : les cristaux à bandes interdites simultanées photoniques et phononiques, dénommés aussi cristaux phoXoniques. Le but de ce travail est d’explorer le potentiel de ces structures : réduire la consommation énergétique et la taille des composants, en exploitant les phénomènes de confinement et d’ondes lentes. Pour cette étude, des modèles numériques par éléments finis sont développés, ils visent à établir les conditions pour une efficacité accrue et à déterminer les paramètres des réseaux propres à favoriser de larges bandes interdites. La recherche des modes propres confinés optiques et acoustiques propices à l’interaction acousto-optique est ensuite entreprise. Des modèles numériques sont créés pour déterminer le couplage acousto-optique en tenant compte des mécanismes de couplage tels que l’effet photoélastique, optomécanique ou électrooptique.Plusieurs configurations d’interactions sont étudiées afin de déterminer l’impact de l’anisotropie des matériaux, des éléments de symétrie des modes de cavité, de la nature des réseaux et des matériaux qui les constituent tels que le silicium et le niobate de lithium.Enfin, un travail de conception à vocation applicatif est proposé. Il met en avant la possibilité d’exploiter les mécanismes de couplage dans un dispositif de type modulateur confiné dans une cavité acousto-optique.

Theoretical acousto-optic couplings mechanisms in nano-structured materials are investigated in the present thesis: the photonic and phononic crystals with simultaneous bandgaps, also named phoxonic crystals. The aim of the study consists in exploring their potential in order to reduce energy consumption, sizes of devices, by taking advantage ofthe confinement property and slow wave phenomena.For our investigations, numerical models, using finite element method, were developed to determine optimized conditions for a better efficiency and suitable parameters promoting wide bandgaps. Acoustic and optical confined modes search favorable for acousto-optic interaction is performed. Numerical models were created to compute the acousto-opticcouplings by taking into account various coupling mechanisms such as the photo-elastic, opto-mechanic and electro-optic effects.Many interaction configurations are investigated in order to determine the impact of material anisotropy, the cavity mode symmetries, various lattices or different materials such as silicon and lithium niobate.Finally, a first approach for a designed component is proposed. It shows the possibility to use coupling mechanisms for a device such as an optical modulator by using acousto-optic confined modes in a cavity.