Resonant enhancement of magneto-optical effects using 1-D planar micro-structuration

par Bobin Varghese

Thèse de doctorat en Optique, Photonique, Hyperfréquences

Sous la direction de François Royer.

Soutenue le 14-12-2017

à Lyon , dans le cadre de École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne) , en partenariat avec Université Jean Monnet (Saint-Étienne) (Etablissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire Hubert Curien (Saint-Etienne) (laboratoire) .

Le président du jury était Dominique Berling.

Le jury était composé de François Royer, Vy Yam, Taha Benyattou, Emilie Gamet, Yves Jourlin.

Les rapporteurs étaient Vy Yam, Taha Benyattou.

  • Titre traduit

    Exaltation résonante d'effets magnéto-optiques par microstructuration planaire à 1D


  • Résumé

    Les dispositifs magnéto-optiques (MO) sont les éléments de base des isolateurs optiques, éléments essentiels pour les lasers et LIDAR. Ils sont également utilisés pour l'imagerie, le stockage ou les capteurs. Une structuration périodique du matériau magnétique est un moyen pour en améliorer les performances, et ainsi réduire la taille des composants intégrés ou améliorés la sensibilité des capteurs associés. Cependant, la mise en œuvre des matériaux magnéto-optiques habituels au sein des platefo1mes d'optique intégrée est rendue difficile par la forte température de cristallisation (- 7000C) qu'ils requièrent. En utilisant un processus sol-gel basse température, une matrice de silice peut être dopée par des nanoparticules magnétiques (C0Fe204) pour produire un matériau qui présente une excellente compatibilité avec les substrats photoniques. Dans ce travail, ce matériau composite a été utilisé pour imprégner un réseau grâce à un dépôt en une seule étape à une température inférieure à 100 °C. Il s'agit d'un réseau lD ShN4 sur verre. Des simulations numériques, basées sur les méthodes RCW A, et réalisées à 1,55 µm ont permis de déterminer les paramètres adéquats pour obtenir un réseau résonnant, simultanément pour les polarisations TE et TM, à incidence normale. Les simulations MO ont démontré que ce type de structure permet d'obtenir l'exaltation de tous les effets magnéto-optiques classiques (Kerr et Faraday). Le facteur de mérite théorique obtenu est comparable voir supérieur à ceux rapportés dans la littérature qui utilisent des matériaux MO classiques. Ces améliorations ont été confirmées par des réalisations et caractérisations expérimentales. Par exemple, une augmentation de la rotation de Faraday d'un facteur 3,5 a été obtenue par rapport à un film mince de référence. Le facteur de mérite correspondant était comparable voir supérieur à ceux présentés dans la littérature prouvant la grande efficacité de notre structure. Les résultats de ce travail sont la première démonstration d'une augmentation de tous les effets MO avec un seul dispositif


  • Résumé

    Magneto-optical (MO) devices are the basic elements of optical isolators essential for lasers an1 LIDAR, and are also employed for aircraft imaging, data storage or sensing. A periodic structuration of the core magnetic material is a way to enhance its MO behavior, and is thus useful to reduce the footprint of integrated devices or to improve the sensitivity of related sensors. However, the processing of efficient magnetic materials on photonic platforms is still challenging, because classical MO materials require an annealing temperature as high as 700°C. Using a sol-gel process, a silica matrix can be doped by magnetic nanoparticles (C0Fe204) to produce a MO material which possess a full compatibility with photonic substrates. In this work, this composite material was incorporated into an already structured template through a single step deposition at low temperature. The template was a 1-D SiJN4 grating on glass. Numerical simulations, based on RCW A methods, have been carried out to identify the suitable values of the grating period and the line-space ratio which produce a guided-mode resonance at 1.55 µm simultaneously for TE and TM polarizations, at normal incidence. MO simulations demonstrated that an enhancement of magneto-optical effects is obtained in transmission or reflection for every orientation of the applied magnetic field (Kerr or Faraday effects). The theoretical figure of merit for these structures were comparable or higher than those reported in literature which use classical MO materials. These enhancements were confirmed by experimental realizations and measurements. For instance, a Faraday rotation enhancement of 3.5 times was demonstrated compared to the reference thin-film. The c01Tesponding figure of merit was comparable or higher than those reported in literature proving the high efficiency of our structure. The results of this work are the 1st demonstration of an enhancement of every MO effect with a single device


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