Optimisation of photonic crystals for nonlinear optics
Optimisation de cristaux photoniques pour l'optique non linéaire
Résumé
This thesis is a contribution to the theoretical and experimental studies on photonic crystals for use in non-linear optics. The aim of this PhD thesis is to demonstrate that controlling the physical parameters of these structures (periodicity, pattern, filling factor ...) makes feasible the engineering of the dispersion and can be advantageously used to enhance nonlinear interactions between light and matter. An important modelling work has been carried out to determine the electromagnetic field distribution in 1D limited structures. We have defined an effective global index which makes easier the phase matching condition determination, necessary for efficient second order non linear interactions. Modelling has been extended to planar structures (1.5D) and has allowed structuring a layer of GaN deposited on sapphire substrate for the exaltation of second harmonic generation : a first-step realization is presented. Moreover, we report a non-destructive characterization of planar two-dimensional (2D) photonic crystals made in silicon on insulator (SOI) wafers using ellipsometric or Fourier transformed infrared (FTIR) spectroscopy. These surface coupling techniques have enabled us to draw experimentally dispersion curves. Indeed, boundary conditions at the surface and at the border of the etched area of the slab, allow the excitation of guided modes via diffraction phenomena and the determination of the structure band diagram above and below the light cone. These non-destructive techniques, usable for non-active materials, allow fast characterization of technical processes and the location in reciprocal space of areas with unique dispersion properties to determine the best experimental conditions for observing nonlinear effects. This will be done in SOI when the holes are filled by a non-linear material (doped polymer). At large wavelengths, devices behave as homogeneous isotropic materials which can be characterized by an effective filling factor : experimental results using both methods give coherent results : The hole filling can then be checked by the methods developed here.
Ce travail de thèse constitue une contribution théorique et expérimentale aux études sur les cristaux photoniques et leur utilisation en optique non linéaire. Dans ce travail, nous avons étudié les propriétés de dispersion de ces cristaux afin de les utiliser dans des structures en matériaux présentant de grandes non linéarités optiques. Des modélisations ont été effectués dans des structures à 1D d'épaisseur finie pour étudier facilement l'influence des divers paramètres et ont permis de dimensionner une structure guidante gravée dans une couche de GaN déposée sur saphir pour l'exaltation de la génération de la seconde harmonique : une ébauche de réalisation est présentée. Des techniques non destructives de couplage par la surface- ellipsométrie spectroscopique et spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier (s-FTIR)- ont été utilisées pour caractériser des cristaux photoniques 2D réalisés dans des substrats de SOI. Aux grandes longueurs d'ondes, elles nous ont permis de déterminer leur facteur de remplissage avec une grande précision. Elles ont également permis de tracer les courbes de dispersion expérimentales des cristaux photoniques, qui se sont trouvées en bon accord avec les courbes théoriques. Les résultats obtenus par ces méthodes et l'analyse des conditions aux limites aux interfaces cristal photonique / guide ont de plus permis de mettre en évidence les modes des cristaux photoniques situés sous le cône de lumière et supposés jusqu'ici invisibles en optique diffractive. Ces techniques permettent de plus de déterminer les meilleures conditions expérimentales (zones de faible vitesse de groupe, de couplage efficace avec des faisceaux excitateurs) pour observer des effets non linéaires renforcés. Nous avons donc montré que l'utilisation de techniques de couplage par la surface, précises et non destructives, permet l'exploration de zones gravées périodiquement et l'étalonnage rapide des différents facteurs à optimiser lors d'un procès de fabrication ou de remplissage des trous de dispositifs photoniques pour l'optique non linéaire.
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