Propagation and Emission in two-dimensionnal photonic crystal multimode waveguides
Propagation et Emission dans des guides multimodes à cristaux photoniques bidimensionnels
Abstract
The physics of a Fabry Perot cavity with grating mirrors, substantiated here by a multimode 2D photonic crystal waveguide, is investigated from a mainly experimental point of view. Applications in the field of optical telecommunications around 1.55µm, as well as more fundamental issues are addressed. The guide walls consist of a periodic grating of air holes etched through a InP-based heterostructure. They are completely reflecting within the photonic band gap for any wave impinging within the periodicity plane. The periodicity along the guide couples through Bragg diffraction guided modes, with "ordinary" group velocity, with very slow modes, analogous to resonant modes. The new feature about this coupling is that it occurs only within small frequency and wavevector windows, remaining silent elsewhere. This coupling is firstly used to design a wavelength multiplexer/demultiplexer, extracting, laterally with respect to the guide direction and selectively, all or part of the guided optical signal. The following and more fundamental parts of this manuscript investigate the potential impact of the spectral regions nearby these coupling windows in order to control the spontaneous emission of photons within these confining and diffractive structures. We present a striking experimental spontaneous emission enhancement, related to a peaked photon density of states. The last part deals with a measurement of the modal gain spectrum: the consequence of the slowing of a guided mode around the coupling window onto the optical amplification of a propagating signal is discussed.
Cette thèse, à dominante expérimentale, explore la physique d'une cavité Fabry Pérot dont les miroirs sont des réseaux, en l'occurrence un guide multimode à cristal photonique bidimensionnel, autour de thèmes appliqués, aux télécommunications optiques autour de 1,55µm, et fondamentaux. Les parois d'un tel guide sont constituées d'un réseau périodique de trous d'air gravés au travers d'une hétérostructure semi-conductrice à base d'InP et sont, dans la bande interdite photonique, parfaitement réfléchissantes pour toute onde incidente dans le plan de périodicité. La périodicité le long du guide couple par diffraction de Bragg, des modes guidés de vitesse de groupe "ordinaire" et des modes guidés très lents, analogues à des modes résonnants. L'originalité essentielle de ce couplage est qu'il n'intervient que pour des fenêtres de fréquences et de vecteur d'onde étroites, restant pratiquement silencieux ailleurs. Ce couplage est tout d'abord exploité pour la conception d'un coupleur/découpleur de longueurs d'onde, à extraction latérale et sélective de tout ou partie du signal optique guidé. La suite de la thèse, plus fondamentale, explore les potentialités des régions spectrales autour de ces fenêtres de couplage pour l'émission et le contrôle de photons dans ces structures confinantes et diffractives. Nous présentons un effet expérimental spectaculaire d'exaltation de l'émission spontanée, associé à une augmentation locale de la densité d'états photoniques. Le dernier volet aborde la mesure du spectre ed gain modal: l'effet du ralentissement du mode guidé aux abords de la fenêtre de couplage sur l'amplification ressentie par un signal se propageant sur ce mode y est discutée.