Structures plasmoniques pour le renforcement des effets nonlinaires et la réalisation de fonctions tout-optiques en photoniques sur silicium

Enhancement of nonlinear effects using silicon plasmonic structures

• Auteur / Autrice : Jihua Zhang
• Direction : Éric Cassan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 02/12/2015
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE) en cotutelle avec Université Huazhong des Sciences et Technologies (Wuhan, Chine)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique fondamentale (Orsay, Essonne ; 19..-2016) - Wuhan National Laboratory for Optoelectronics (China)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Cassan, Guillaume Bachelier, Gilles Renversez, Béatrice Dagens, Alexandre Bouhelier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guillaume Bachelier, Gilles Renversez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicium

Plasmons

Optique non linéaire

Photonique

Mots clés libres

Plasmonique

Photonique sur silicium

Optique nonlinéaire

Plasmonics

Silicon photonics

Nonlinear optics

Résumé

L’augmentation des flux d’information sur puce conduit l’électronique intégrée à un certain nombre de limitations, liées en particulier à la saturation des débits binaires transmissibles entre blocs et cœurs et au niveau excessif de puissance dissipée. Dans ce contexte, la photonique silicium a été proposée il y a plusieurs années comme une solution intéressante pour lever certains verrous. Ce domaine, qui a connu un intérêt marqué depuis, repose sur le développement de liens optiques sur puce, donc sur le développement de toutes les structures nécessaires pour l’émission, le guidage, la modulation, et la détection des signaux optiques. Au stade actuel, les progrès ont été spectaculaires mais des difficultés demeurent : d’une part, la puissance consommée par les composants optoélectroniques, en particulier de modulation, se situe toujours au-dessus des niveaux requis par les applications ; d’autre part, la taille des composants optiques intégrées classiques ne peut pas être miniaturisée en-dessous de la limite de diffraction (de l’ordre de 250nm dans les cas usuels de la photonique silicium, dans la fenêtre des longueurs d’onde télécoms λ=1,55µm), ce qui ne permet pas d’envisager une co-intégration poussée de l’optique avec l’électronique CMOS.Dans cette thèse, nous avons exploré les potentialités de l’utilisation de matériaux organiques non-linéaires au sein de structures métalliques pour la réalisation de guides d’ondes plasmoniques nonlinéaires. Les propriétés de la plasmonique autorisant la réalisation de structures sub-longueur d’onde à confinement extrême du champ électromagnétique, les composants qui en découlent sont caractérisés par un renforcement significatif des effets optiques non-linéaires et leur co-intégration avec l’électronique devient envisageable en terme de compacité et d’encombrement.Nous avons développé une approche basée sur la théorie des modes couplées applicable à des guides à pertes (absorption par les métaux) et, couplées à des calculs par éléments finis, nous l’avons appliquée à l’exploration des plusieurs effets. Deux types de guides ont été considérés, guides plasmoniques et guides plasmoniques hybrides. Les phénomènes de génération de seconde harmonique et de rectification optique (assistée électriquement ou pas) ont été étudiés principalement ; les compromis entre pertes de propagation (par absorption) et confinement du champ électromagnétique ont été explorés et l’ensemble a conduit à proposer plusieurs configurations caractérisées par des longueurs d’interaction de quelques dizaines de µm typiquement et des efficacités (de conversion de longueur d’onde, de rectification, etc) se situant au-delà de l’état de l’art actuel.Ces propositions théoriques ont été complétées par un volet expérimental, concrétisé par la fabrication de structures plasmoniques, et qui a permis de valider la possibilité d’une injection efficace de la lumière depuis une fibre optique vers des guides plasmoniques très sub-longueur d’onde.

With the rapid increasing bandwidth of data transmission and signal processing, integrated electronics encounters bottlenecks. Silicon photonics provides a low-cost solution to overcome some of these bottlenecks by introducing on-chip optical links. After a decade of development, silicon photonics is now the most active discipline and most promising platform within the field of integrated optics. However, in the process of further development, new stumbling blocks emerge, among which the fact that the size of photonic devices is limited by the diffraction limit, which results in a large mismatch between photonic and electronic components. Plasmonics seems to be an ideal solution to overcome this obstacle thanks to its ability to confine the optical field into nanoscales beyond the diffraction limit. Meanwhile, the localized strong field enhancement in plasmonic structures enhances interaction of light and matter, which is promising for nonlinear applications.In this dissertation, we combine the plasmonic and organic technologies onto the silicon photonics platform to create silicon plasmonic organic structures and investigate the nonlinear effects induced in them. Silicon plasmonic organic structures combine the advantages of silicon with ultra-compact performance of plasmonics and ultrafast property of organic materials that have great potentials in nonlinear integrated optics.A full-vectorial nonlinear coupled-wave equation model which is valid for lossy plasmonic waveguides is proposed and then utilized to analyze the nonlinear effects in silicon plasmonic waveguides. This dissertation addresses the use of two kinds of plasmonic waveguides, plasmonic slot waveguide (PSW) and hybrid plasmonic waveguide (HPW), for nonlinear applications. Specifically, enhanced second harmonic generation, electro-optical /optical rectification effect in PSW and enhanced second harmonic generation in HPW and ring resonators are proposed. The mode phase matching technique is applied for the phase matching of the nonlinear processes. Based on the effective nonlinear effects within short distances, possible applications in optical signal processing such as phase regeneration, modulation and detection are envisaged.Design, fabrication and measurement of PSW are also provided. By spin-coating a commercial available second order nonlinear polymer, preliminary results regarding the nonlinear response of the PSW are investigated.