Nonlinear Optics in semiconductor structures with strong confinement of the field
Optique Non-Linéaire dans les structures semi-conductrices à fort confinement du champ.
Résumé
Semiconductor photonic structures are very interesting for all-optical signal processing due to their strong non-linear properties. Structuring the medium on a small scale enables light localization and therefore enhancement of nonlinear phenomena. However, the extent of this enhancement depends on the order of the nonlinearity, thus introducing new interaction regimes, which are the subject of this manuscript. After describing the theoretical background presenting the enhancement of nonlinear processes through localization in semiconductors, we demonstrate experimentally and quantitatively, for the first time the influence of localization on the enhancement of nonlinearities such as the Kerr effect, two-photon absorption and free-carrier effects, by studying a GaAs photonic crystal. We solve the Raman amplification problem in silicon nanowaveguides, by developing an analytical model that shows the influence of nonlinear phase modulation effects on the decrease of the effective Raman gain in silicon. This model is validated by experimental data. Finally, we study the application of localization to all-optical nonlinear switching. We introduce the concept of nonlinear switching and absorption lengths, which enables us to analyze different materials. We show that pure Kerr switching is unattainable in Si and GaAs (contrary to AlGaAs and GaN), but that switching assisted by free-carrier effects is a possibility for certain microstructure geometries.
Du fait de leurs fortes propriétés non-linéaires, les structures photoniques semi-conductrices sont très intéressantes pour le traitement tout-optique du signal. La structuration à petite échelle permet de localiser la lumière et donc d'exalter les phénomènes non-linéaires, mais avec un pouvoir d'exaltation différent suivant l'ordre de la non-linéarité, introduisant ainsi une nouvelle hiérarchie des régimes d'interaction. Après une description théorique présentant le renforcement des processus non- linéaires par la localisation dans les semi-conducteurs, nous démontrons expérimentalement et quantitativement, pour la première fois, l'influence de la localisation sur l'exaltation des non- linéarités telles que l'effet Kerr, l'absorption à deux photons et les effets de porteurs libres, par l'étude d'un guide à cristal photonique de GaAs. Nous résolvons le problème de l'amplification Raman d'impulsions dans un nanoguide de silicium, en développant un modèle analytique permettant de montrer l'influence des effets de modulation de la phase non-linéaire sur la chute du gain Raman effectif dans le silicium. Ce modèle est validé expérimentalement. Finalement, nous abordons l'application de la localisation à la commutation non- linéaire tout-optique. Nous introduisons la notion de longueurs non-linéaire de commutation et d'absorption permettant d'étudier différents matériaux. Nous montrons que la commutation par effet Kerr pur est impossible pour le Si et le GaAs (contrairement à l'AlGaAs et au GaN), mais qu'une commutation par effet de porteurs libres y est envisageable pour certaines géométries de microstructures.
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