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Ecole Centrale de Lyon (22/10/2007), Pierre Viktorovitch (Dir.)
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MICROCAVITES OPTIQUES VERTICALES A BASE DE CRISTAUX PHOTONIQUES MEMBRANAIRES
Salim Boutami1

Ce travail de thèse est axé sur l'utilisation de modes de Bloch lents à pertes rayonnées verticales, dans des cristaux photoniques membranaires 1D (réseau de fentes) et 2D (réseaux de trous) en InP, pour la réalisation de réflecteurs en espace libre. L'intérêt premier de tels réflecteurs réside dans leur compacité verticale (une seule couche épitaxiée), comparés aux miroirs de Bragg traditionnels, mais également dans le contrôle de la polarisation qu'ils autorisent. Les règles de conception de ces réflecteurs, ainsi que leurs procédés de fabrication et de caractérisation sont présentés. Les résultats expérimentaux obtenus sont en bon accord avec la théorie.

Ces réflecteurs membranaires à cristaux photoniques ont ensuite été intégrés dans des cavités Fabry-Pérot verticales, où ils remplacent le miroir de Bragg supérieur. Un dispositif passif (filtre MOEMS accordable électriquement, compact et polarisé) et un dispositif actif (VCSEL à puits quantiques, émettant à 1.55µm, compact et polarisé) ont été réalisés.

Enfin, des cavités Fabry-Pérot ultimes, uniquement à base de ces réflecteurs à CP, sont étudiées. Le concept est validé en utilisant deux échantillons différents placés en vis-à-vis à l'aide d'un montage piézo-électrique. Ensuite, un démonstrateur passif monolithique, montrant une sélectivité et une compacité verticale sans précédents.
En outre, une étude théorique démontre la capacité des miroirs à CP à influer très fortement sur la vitesse d'expansion latérale de la lumière dans les cavités Fabry-Pérot, ce qui ouvre la voie à de toutes nouvelles applications.
1:  INL - Institut des nanotechnologies de Lyon - Site d'Ecully
Cristaux photoniques – membranes – Miroirs – Modes de Bloch – cavités – Fabry-Pérot – vitesse de groupe négative – VCSEL – Filtre – MOEMS – accordabilité – polarisation

Optical vertical microcavities based on photonic crystal slabs
This thesis focuses on the use of slow Bloch modes with radiated losses in 1D and 2D photonic crystal InP, in order to achieve free space reflectors. The primary interest of such reflectors lies in their vertical compactness(one single epitaxial layer), compared with traditional Bragg mirrors, but also in the control on polarization they enable. The rules of design of these reflectors and their fabrication and characterization processes are presented. The experimental results are in good agreement with theory.

These photonic crystal slab mirrors were then incorporated into vertical Fabry-Perot cavities, where they replace the top Bragg mirror. A passive (electrically tunable MOEMS filter, compact and polarized) and an active devices (quantum wells VCSEL, emitting at 1.55μm, compact and polarized) have been made.

Finally, ultimate Fabry-Perot cavities exclusively based on these single-layer Photonic crystal reflectors are studied. The concept is validated using two different samples placed in regards with piezoelectric actuators . Then, a monolithic demonstrator is fabricated and characterized, showing the best known records in selectivity and vertical compactness.
In addition, a theoretical study demonstrates the ability of photonic crystal slab mirrors to highly influence the lateral velocity of light in Fabry-Perot cavities, paving the way for very new interesting applications.
Photonic crystal – Bloch modes – membranes – slabs – mirrors – microcavitites – Fabry-Perot – negative group velocity – VCSEL – Filter – MOEMS – tunable – polarisation