Thèse soutenue

Guides d'ondes non-réciproques à base d'effets magnéto-plasmoniques
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Auteur / Autrice : Sevag Abadian
Direction : Béatrice DagensGiovanni MagnoVy Yam
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies
Date : Soutenance le 26/03/2021
Etablissement(s) : université Paris-Saclay
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
référent : Faculté des sciences d'Orsay
Jury : Président / Présidente : Éric Cassan
Examinateurs / Examinatrices : Giovanni Magno, Vladimir Belotelov, François Royer, Giovanna Calo, Mathias Vanwolleghem
Rapporteurs / Rapporteuses : Vladimir Belotelov, François Royer

Résumé

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Les isolateurs optiques intégrés sont des composants non-réciproques, autorisant la propagation de la lumière dans une seule direction. Ils sont essentiels pour l’intégration de circuits photoniques (PIC) complexes: un isolateur protège en effet un laser d’éventuels signaux réfléchis qui peuvent le déstabiliser. L’isolateur intégré devra pour cela présenter un fort taux d’isolation et de faibles pertes d’insertion. Plus généralement, la transmission non-réciproque (NR) dans un système optique pourrait considérablement enrichir les architectures possibles des PIC en permettant l’insertion des fonctions isolateur ou circulateur. Ces deux composants peuvent y jouer de nombreux rôles, mais leur réalisation est un véritable défi du fait de la nature réciproque de la plupart des matériaux habituellement utilisés. La conception de guides d’onde avec la fonctionnalité NR requiert la brisure simultanée de leurs symétries spatiale et temporelle. L’aimantation dans les matériaux magnéto-optiques (MO) permet de briser la symétrie temporelle des structures et rend ces matériaux intéressants pour les composants non-réciproques. Les oxydes de grenat comme le Bi₃Fe₅O₁₂ font partie de cette classe de matériau. Parmi les effets magnéto-optiques possibles, le TMOKE (Effet Magnéto-Optique Transverse) se prête bien à l’optique intégrée car il ne modifie pas la polarisation de la lumière. La miniaturisation des composants et l’amélioration de leur performance requièrent une exaltation des effets MO, qui peut être obtenue en insérant des structures plasmoniques qui concentrent le champ électromagnétique à l’échelle nanométrique grâce aux plasmons polaritons de surface (SPPs). Dans le but de proposer un isolateur intégré, deux différentes géométries d’isolateur magnétoplasmoniques ont été étudiées en détail dans cette thèse. Le premier, présenté dans le chapitre 3, est inspiré d’un système d’optique libre composé d’un réseau d’or déposé sur un substrat de grenat MO et qui a montré une exaltation de l’effet TMOKE. La version guidée comprend un guide MO couplé à un réseau d’or nanostructuré adjacent. Cette configuration permet au mode fondamental du guide MO d’exciter un SPP à l’interface métal-diélectrique, qui à son tour excite les modes des fentes du réseau. En ajustant ses paramètres géométriques, ce composant résonant peut conduire à une isolation jusqu’à 20dB à la longueur d’onde souhaitée. Présenté dans le chapitre 4 du manuscrit, le second composant, non-résonant, est basé sur les propriétés uniques des guides à fente MO. Son principe repose sur l’asymétrie du mode du guide à fente lorsque celui-ci comprend un matériau MO inséré entre deux couches métalliques. Le mode fondamental quasi-TE du guide à fente résulte du couplage entre deux SPPs qui existent simultanément à chaque interface métal-diélectrique du guide. L’aimantation est telle que la configuration MO est celle du TMOKE, qui modifie directement le profil du mode magnétoplasmonique. En introduisant des absorbeurs optiques d’un seul côté du guide à fente, la lumière n’est plus transmise dans une des directions. Cet isolateur présente des valeurs de taux d’isolation jusqu’à 20 dB, sur une large bande spectrale. La géométrie du composant peut être également optimisée pour obtenir des forts taux d’isolation même avec un matériau MO de faible gyrotropie. L’isolateur devra être intégré avec un laser pour évaluer pleinement son potentiel. Plusieurs conceptions d’interfaçage efficace avec un guide monomode standard jusqu’à l’isolateur sont proposées dans le chapitre 5 du manuscrit. Des résultats numériques préliminaires montrent que l’intégration d’un laser et de l’isolateur pourra être réalisée à court terme. Cette démonstration devrait ouvrir de nouvelles opportunités pour les circuits photoniques intégrés, de grand intérêt pour les communications optiques, les capteurs, la photonique RF.