Couplage cohérent de nanocavités optiques hydrides actives

par Quentin Chateiller

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Fabrice Raineri.

Le président du jury était François Marquier.

Le jury était composé de Fabrice Raineri, François Marquier, Yannick Dumeige, Peter Bienstman, Isabelle Robert-Philip.

Les rapporteurs étaient Yannick Dumeige, Peter Bienstman.


  • Résumé

    A l'heure de l'explosion des besoins en ressources de calcul et du volume des télécommunications dans le monde, l'industrie de la micro-électronique a engagé un changement de cap au cours de la dernière décennie, afin de pouvoir continuer à répondre aux besoins technologiques émergents de nos sociétés. L'une des voies entreprises repose sur la photonique intégrée, qui requiert notamment le développement de nanosources de lumière robustes et efficaces énergétiquement, et présentant des fonctionnalités optiques avancées. Nous proposons dans cette thèse un nouveau concept de nanosource laser émettant à 1550 nm, reposant sur un système de deux nanocavités optiques actives identiques en cristal photonique, couplées de façon évanescente à un même guide d'onde. La phase de couplage est alors directement contrôlée par leur distance relative. Ce système est fabriqué par l'adhésion d'une hétérostructure de puits quantiques en semiconducteur III-V sur une circuiterie optique en silicium, suivie d'une lithographie électronique et d'une gravure ICP. Dans le cadre d'un pompage identique, nous avons ainsi démontré théoriquement et expérimentalement l'existence de deux modes couplés symétrique et anti-symétrique, caractérisés par une séparation à la fois en pertes et en énergie. L'existence d'un mode sombre a également été prédite, et se manifeste par un blocage de l'émission pour certaines phases de couplage. Plus généralement, les caractéristiques de l'émission de ce système permettent de l'assimiler à une cavité unique effective, dont les propriétés laser sont modulées par la phase de couplage. Celles-ci peuvent notamment être améliorées à proximité du mode sombre. L'exploration générale de ce type de système ouvre finalement la voie à de nombreuses autres études, basées par exemple sur la variation de la configuration de pompage et/ou la configuration de couplage de ces cavités. Dans ce contexte, d'autres effets ont été observés, comme la directivité de l'émission dans le guide, et la manifestation d'un point exceptionnel induisant une extinction de l'émission.

  • Titre traduit

    Coherent coupling of active hybrid optical nanocavities


  • Résumé

    In a time where computing resources and telecommunications requirements are exploding all around the world, the microelectronics industry has undertook over the past decade a major turnaround in their course to keep answering to the emerging technological needs of our societies. One of the ways undertaken is based on integrated photonics, which in particular requires the development of robust and energy efficient light sources at the nanoscale, with advanced optical functionalities. In this thesis, we propose a new concept of laser source emitting at 1550 nm, based on a system composed with two identical active optical nanocavities made of photonic crystal, coupled evanescently to a common waveguide. The coupling phase is then directly controlled by their relative distance. This system is fabricated by bonding a heterostructure of quantum wells in III-V semiconductor on an optical silicon circuit, followed by an electronic lithography and an ICP etching. In the context of an identical pumping, we thus demonstrated theoretically and experimentally the existence of two symmetrical and anti-symmetrical coupled modes, characterized by a splitting both in losses and in energy. The existence of a dark mode has also been predicted, which blocks the emission in the waveguide at particular coupling phases. More generally, the emission characteristics of this system allow us to assimilate it to a single effective cavity, whose the laser properties are modulated by the coupling phase. These can in particular be improved near the dark mode. The general exploration of this system finally opens the way to many other studies, based for instance on the variation of the pumping configuration and / or the coupling configuration of these cavities. In this context, other effects were observed, such as a directional emission in the waveguide, and the cancelling of this emission related to the presence of an exceptional point.

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