Study of the potentiality of sol-gel thin layers doped by magnetic nanoparticles for the realization of integrated magneto-optic components.
Étude des potentialités de couches minces sol-gel dopées par des nanoparticules magnétiques pour la réalisation de composants magnéto-optiques intégrés
Résumé
The thesis is devoted to the study of the magneto-optical potentiality of thin films made of magnetic nanoparticles embedded in organic-inorganic sol-gel matrix, which can be used to develop components that have a non reciprocal effect such as optical isolator. Sol-gel gateway allows the fabrication of waveguides of low refractive index and controlled thickness. Its soft chemistry quality made the compatibility with classical integrated technology easier and especially the technology on glass. Concerning the magnetic nanoparticles, they are used to give to the sol-gel matrix an interesting magneto-optical effect. The purpose consists to realize the TE-TM mode conversion. Therefore, two parameters must be controlled : The modal birefringence and the Faraday rotation of the material. Results show that the sol-gel matrix doped with magnetic nanoparticles have an interesting potentiality illustrated by a specific Faraday rotation around 250 °/cm and a modal birefringence of 10^(-4). The combination between these two values allows a conversion rate up than 80 %. In addition, The application of an orthogonal magnetic field during the sol-gel gelation phase induces a decrease of the mode birefringence which allows the possibility the realize a phase matching and a totally efficient mode conversion. Furthermore, the Faraday rotation curve possess a hysteresis phenomena which is characterized by a spontaneous effect around 40 % of the magnitude of the saturated Faraday rotation, that is qr = 100 °/cm. The existence of the residual Faraday rotation without any applied magnetic field opens the way to realize auto-polarized components.
Le travail de thèse est consacré à l'étude des potentialités magnéto-optiques de couches minces élaborées par voie sol-gel organique-inorganique et dopées par de nanoparticules magnétiques dans le but de réaliser des composants à effet non réciproque en configuration guidée tel que l'isolateur optique. Le choix de la voie sol-gel se justifie par sa qualité de chimie douce et son aptitude à élaborer des guides de faible indice pour une épaisseur ajustable. L'intérêt porté aux nanoparticules magnétiques s'explique par l'effet magnéto-optique intéressant qu'elles présentent. La finalité de la thèse consiste à réaliser la conversion entre les modes TE-TM. Deux paramètres doivent donc être contrôlés finement pour obtenir un guide d'onde planaire ayant des effets magnéto-optiques intéressants : la biréfringence modale et la rotation Faraday. Les résultats obtenus montrent une très forte potentialité de la matrice sol-gel dopée. Il s'agit d'une rotation Faraday spécifique de 250 °/cm et une biréfringence modale de 10^(-4) ce qui permet de prévoir potentiellement un taux de conversion s'élevant 80 %. De plus, l'application d'un champ magnétique pendant la gélification des couches induit une forte diminution de la biréfringence ce qui permet de prévoir un accord de phase. Une conversion de mode totale est donc potentiellement réalisable. D'autre part, la courbe de la rotation Faraday présente un cycle d'hystérésis caractérisé par une rotation rémanente de 40 % de la valeur de la rotation à saturation, soit qr = 100 °/cm. L'existence d'une telle rotation sans aucun champ appliqué ouvre la voie à la réalisation de composants auto-polarisés.
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