Nouveaux dispositifs optiques basés sur une physique non hermitienne

Novel Optical Devices with Non-hermitian Physics

• Auteur / Autrice : Yaoyao Liang
• Direction : Anatole Lupu, Abderrahim Ramdane
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 28/09/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Delphine Marris-Morini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Gauthier-Lafaye, Patrice Genevet, Gilles Lérondel
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Olivier Gauthier-Lafaye, Patrice Genevet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Physique non-hermitienne

Métamatériaux

Lasers à semi-conducteur

Optique intégrée

Nanophotonique

Mots clés libres

Symétrie Parité-Temps

Physique non-hermitienne

Lasers

Métasurfaces

Parity-Time symmetry

Non-Hermitian physics

Lasers

Metasurfaces

Résumé

Le sujet de cette thèse de doctorat est le développement d'un nouveau concept de sources optiques exploitant le concept de la physique Hon-Herimienne. A cette fin, deux nouvelles approches dans le formalisme non-Hermitien pour réaliser des lasers mono-fréquence ont été proposées et démontrées dans ce travail. La première démonstration a consisté à appliquer le concept de symétrie Parité-Temps à la plate-forme des lasers à rétroaction distribuée à réseau de Bragg à couplage complexe du premier ordre. Un seuil plus bas et une puissance de sortie plus élevée, ainsi que des lasers à mono-fréquence plus stables, ont été obtenus par rapport aux travaux précédents avec un réseau à symétrie Parité-Temps fonctionnant au troisième ordre. Un comportement asymétrique de la résistance à la rétroaction externe par au déphasage entre la modulation de partie réelle et imaginaire du réseau à symétrie Parité-Temps a été observé. Un concept complémentaire, toujours basé sur le formalisme non Hermitien, exploitant la modulation du gain-pertes à l'aide d'un réseau à métamatériaux pour réaliser des lasers mono- fréquence a été démontré expérimentalement pour une longueur d'onde de travail de 1,55 µm. Une émission laser mono-fréquence robuste, avec un SMSR de 70 dB, a été obtenue. Le concept de physique non-Hermitienne a également été appliqué à l'étude d'une opération de détection optimale utilisant des métasurfaces à résonance de Fano. Le contrôle de l'asymétrie et de la largeur spectrale de la résonance de Fano obtenu en naviguant entre les conditions de mode sombre et les points exceptionnels a été démontré. Les opérations optimales avec des métasurfaces à couche unique et à double couches ont été discutées. L'introduction de la troisième dimension dans le système permet à la métasurface à double couches de manipuler la réponse spectrale avec une plus grande souplesse. De nouvelles caractéristiques supplémentaires entraînant une résonance de Fano de type falaise ont été obtenues dans le cas d'une métasurface bicouches identiques avec une longueur de cavité très inférieure à la longueur d'onde. En outre, les mécanismes d'accordabilité basés sur la variation du gain ou des pertes dans ces types de systèmes ont été discutés. Les conditions requises pour atteindre le régime de superdiffusion correspondant au seuil d'émission laser ont été établies.

The subject of this PhD thesis is the development of a new concept of optical sources exploiting the concept of Hon-Herimian physics. To this end, two new approaches in the non-Hermitian formalism for achieving single-frequency lasers have been proposed and demonstrated in this work. The first demonstration involved applying the concept of PT symmetry to the platform of first-order complex coupled Bragg grating distributed feedback lasers. Lower threshold and higher output power, as well as more stable single-frequency lasers, were achieved compared to previous work with a PT-symmetric grating operating at third order. An asymmetrical behavior of the external feedback resistance with respect to the phase arrangement modulation for the real and imaginary parts of the PT-symmetrical grating was observed. A complementary concept, still based on the non-Hermitian formalism, exploiting gain-loss modulation using metamaterial gratings to realize single-frequency lasing was experimentally demonstrated at a working wavelength of 1.55 µm. A robust single-frequency laser emission, with an SMSR of 70 dB, was obtained. The concept of non-Hermitian physics has also been applied to the study of optimal detection operation using Fano resonant metasurfaces. The control of Fano resonance asymmetry and sharpness obtained by navigating between dark mode conditions and exceptional points have been demonstrated. Optimal operations with single-layer and double-layer metasurfaces were discussed. The introduction of the third dimension into the system allows greater flexibility for the double-layer metasurface to manipulate the spectral response. New additional features resulting in cliff-like Fano resonance have been obtained in the case of an identical double-layer metasurface with deep sub-wavelength cavity length. In addition, tunability mechanisms based on the variation of gain or loss in such types of system have been discussed. The conditions required to reach the superdiffusion regime corresponding to the lasing threshold have been established.