Ingénierie de dispersion dans les cristaux photoniques pour la réalisation de micro-lasers compacts impulsionnels

Dispersion engineering in photonic crystals for the realisation of compact pulsed lasers

• Auteur / Autrice : Malik Kemiche
• Direction : Ségolène Callard, Christelle Monat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Photonique
• Date : Soutenance le 28/08/2019
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École Centrale de Lyon (1857-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon, UMR5270 (Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Brahim Guizal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ségolène Callard, Christelle Monat
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Éric Cassan, Fadi Issam Baida

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cristaux phononiques

Nanophotonique

Mots clés libres

Nanophotonique

Cristaux photoniques

Ingénierie de dispersion

Effet laser

Blocage de modes

Proche infrarouge

Matériaux III-V

Microscopie en champ proche optique

Photoluminescence

Imagerie de Fourier

Nanophotonics

Photonic crystal

Dispersion engineering

Laser effect

Mode-locking

Near infrared

III-V materials

Near-field optical microscopy

Photoluminescence

Fourier space imaging

Résumé

Le trafic internet a connu un accroissement sans précédent au cours de la dernière décennie avec l’essor du cloud computing et de la diffusion de flux vidéo, à tel point que le secteur des télécommunications représente aujourd’hui entre 6 % et 10 % de la consommation énergétique mondiale. Tandis que cette croissance doit continuer de s’accélérer avec le développement des objets connectés, les limites de l’infrastructure actuelle commencent à apparaître.La photonique intégrée propose de répondre à ces problèmes à l’aide du traitement tout optique de l’information et des interconnexions optiques. Le développement de la photonique sur silicium a permis la conception de circuits photoniques intégrés capables de réaliser ces fonctions complexes sur puce. L’intégration apporte également ses propres avantages, tels qu’une robustesse, une stabilité et une compacité accrues, ainsi qu’une consommation d’énergie réduite. Pour alimenter ces circuits photoniques, des sources intégrées compactes ont vu le jour. En particulier, les lasers à blocage de modes intégrés permettent de générer à la fois un train d’impulsion régulier et un peigne de modes stable. Ces composants exploitent la combinaison d’un laser multimode et d’un absorbant saturable pour mettre en phase les modes de la cavité. Si de tels lasers sur puce ont été mis au point, ils restent toutefois relativement longs (de l’ordre du millimètre, voire du centimètre), et leur miniaturisation est complexe, car la longueur effective de la cavité, égale au produit de l’indice de groupe et de la longueur de la cavité joue un rôle primordial dans la qualité du train d’impulsions généré.Dans cette thèse, une approche basée sur l’utilisation de la lumière lente est développée pour permettre la réalisation de lasers pulsés compacts et intégrés sur puce. La lumière lente (fort indice de groupe) permet en effet de conserver une grande longueur effective dans une cavité compacte. Ce ralentissement de la lumière peut être généré à l’aide des cristaux photoniques. Pour atteindre le régime de blocage de modes, le spectre de la cavité associée doit également présenter un peigne de modes équidistant, ce qui est difficile à obtenir à cause de la dispersion typiquement très élevée des modes lents. Grâce à l’ingénierie de dispersion dans les cristaux photoniques, une bande linéaire à faible vitesse de groupe peut être créée pour obtenir un peigne de modes équidistants sur une grande largeur spectrale. Des cavités optimisées alliant lumière lente, ingénierie de dispersion, et matériaux III-V reportés sur silice ont été conçues par simulations numériques, puis fabriquées et caractérisées pour étudier la viabilité de cette approche et ses limites. Les mesures montrent que malgré les effets du désordre induit par la fabrication dans le cristal photonique, des cavités laser multimodes de 45,5 µm de longueur et d’indice de groupe de l’ordre de 30 sont réalisables. Ces cavités peuvent prétendre à une réduction de longueur d’un facteur 8 par rapport à leurs équivalents basés sur des guides standards. Enfin, la géométrie de ces cavités est compatible avec le transfert d’un absorbant saturable tel que le graphène pour atteindre, dans le futur, le régime de blocage de modes.

With the development of cloud computing and video streaming, the amount of data transmitted across the Internet has skyrocketed during the last decade. It now represents between 6 % and 10 % of the global energy consumption, and is expected to keep rising with the emergence of Internet of Things applications. However, the limits of the current infrastructure are already becoming apparent. Integrated photonics has brought new concepts to overcome the limitation of electronics such as all-optical signal processing or optical interconnects. In particular, silicon photonics has enabled the realisation of photonic integrated circuits able to perform these complex tasks on a chip and compete with their electronic counterparts. Moreover, integrated designs benefit from better robustness, stability and compactness as well as a reduced energy consumption. Integrated light sources have been developed to drive these photonic integrated circuits. Integrated mode-locked lasers are especially interesting since they provide both a regular pulse train and a stable mode comb. These lasers rely on the combination of a multimode laser and a saturable absorber to phase-lock the modes of the cavity. Despite some progress towards their integration on a chip, their size is still in the millimetre to the centimetre range. Since the quality of the generated pulse train is related to the effective length of the cavity, which is the product of the group index of the guided mode and the actual length of the cavity, their miniaturisation remains a challenge.In this PhD work, a novel design based on the use of slow-light (high ng) in photonic crystals to achieve further miniaturisation of integrated mode-locked lasers is studied. Indeed, slow light allows us to keep the effective length of the cavity high in a compact design with group indices one order of magnitude higher than in standard cavities. In order to reach mode-locking, a wide regular mode comb must be present in the cavity spectrum. Nonetheless, the strong dispersion of slow light modes in photonic crystals limits the spectral width of the regular mode comb. Using dispersion engineering, the bandwidth of the mode comb can be drastically improved. Photonic crystal cavities exploiting dispersion-engineered slow light in active III-V materials on silica were designed using numerical simulations, then fabricated and characterised to demonstrate the validity of this approach and study its potential limitations. We show that in spite of the effect of fabrication-induced disorder, regular mode combs can be generated in cavities as long as 45,5 µm with a group index around 30. These cavities may allow for an 8-fold size reduction of mode-locked lasers compared to standard waveguide designs. In the future, a saturable absorber such as graphene could be introduced onto the cavities in order to achieve mode-locking.