Academic literature on the topic 'Résonateur à cristal photonique'

Les fibres optiques microstructurées, également appelées fibres à trous ou fibres optiques à cristal photonique sont un type récent de guides de lumières originaux et performants apparues dans le milieu des années 1990. Elles se sont depuis imposées comme une technologie incontournable de la photonique moderne. L’originalité première de ce genre de fibre a été de permettre le guidage de la lumière dans un matériau unique grâce à leur structuration périodique. Après une vingtaine d’années de recherche, la gamme possible de structures de ces fibres optiques s’est grandement étoffée, donnant lieu à plusieurs catégories de fibres microstructurées classifiées par type de mécanisme de guidage (par réflexion totale interne, par bande interdite photonique, et par couplage inhibé). Arrivées à maturité aujourd’hui, ces fibres optiques ont démontré au fil des années un potentiel d’applications extrêmement vaste et ce, dans des domaines très variés allant de la défense aux applications biophotoniques, sous la forme de capteurs optiques ou de lasers fibrés de forte puissance.

L’avènement des fibres à cristal photonique dans les années 90 a été une révolution sur les plans tant scientifique qu’applicatif. Leur structuration transverse complexe leur confère en effet des propriétés de guidage inédites. Les fibres optiques topographiques introduites dans les années 2010 offrent, quant à elles, un degré de liberté supplémentaire grâce à leur structuration longitudinale contrôlée. Bien que leur potentiel applicatif soit loin d’être totalement exploré, elles ont déjà été largement exploitées en optique guidée.

Dans ce manuscrit, nous présentons le développement d'un résonateur optimisé pour observer des effets quantiques du couplage entre un resonateur mécanique et le champ electromagnétique via la pression de radiation. Celui-ci doit combiner une réflectivité élevée, une faible masse, ainsi qu'un facteur de qualité mécanique élevé. Le résonateur consiste en une membrane suspendue de quelques centaines de nanomètres d’épaisseur, et de quelques dizaines de microns de côté, présentant une réflectivité importante grâce à l'utilisation de cristaux photoniques. Après une étude détaillée de la physique d'un cristal photonique en incidence normale, nous présentons les résultats expérimentaux, en bon accord avec des simulations optiques, notamment lorsque la membrane est utilisée comme miroir de fond d’une cavité Fabry-Perot. Dans un second point, nous passons en revue les mécanismes d'amortissement mécanique à l’œuvre dans les micro-résonateurs. Nous montrons ensuite comment l'introduction de contraintes peut améliorer leur facteur de qualité. Nous finissons la caractérisation mécanique par l'étude de non-linéarités apparaissant lors des grandes amplitudes de mouvement. Puis nous présentons le montage expérimental permettant l'observation du bruit thermique de ces resonateurs. Celui-ci a également permis d'obtenir des résultats préliminaires sur le refroidissement de leur bruit thermique par friction froide et par effet photothermique. Enfin, nous présentons le développement d’un système de couplage capacitif entre la membrane et un circuit électrique, constituant la première étape de la réalisation d’un transducteur optomécanique entre photons optiques et micro-ondes
The field of optomechanic consists in studying the coupling induce by the radiation pressure between a mechanical resonator and a light field, it has expended over the last fifteen years. In this memoir we present the developpement of a resonator optimised to observe quantum effect of the optomechanical coupling. On the one hand, it has to combine a high reflectivity and a low mass to enhance its coupling with the light field. On the other hand it should exhibit high mechanical quality factor in order to minimize its interaction with the environment. This resonator is a suspended membrane, whose thickness is about hundreds of nanometers, and whose reflectivity is achieved thanks to a photonic crystal. After a study of the photonic crystal physic in normal incidence, we present the experimental results including those in the end mirror of a Fabry-Pérot cavity configuration, which are in good agreement with the optical simulations. In a second point, we list the dissipation mechanisms in micro-resonator. Then we show how the stress introduction in such resonators can improve the quality factor. We finish the mechanical characterisation by studying mechanical non-linearities which appears in the case of large amplitude of motion. Then we present the experimental set-up developed to observe the thermal noise of the resonators. We also obtain some preliminary results about the cooling of the thermal noise using active cooling and photothermal effect. Last we present the development of a capacitive coupling between the membrane and a electrical circuit. This device is the first step toward the realisation of an optomechanical transducer between optical and micro-wave photons

Les systèmes micro et nanoélectromécaniques sont largement explorés pour des applications en photonique intégrée et pour sonder des phénomènes physiques fondamentaux. Un important corpus de recherches se concentre sur les dynamiques linéaires et non linéaires des résonateurs couplés ainsi que leurs comportements collectifs. Cette thèse présente la conception, la fabrication et la caractérisation de membranes opto-électromécaniques nanométriques couplées, dans les régimes linéaires et non linéaires, et est divisée en trois parties principales. La première partie détaille la conception, l'optimisation et la fabrication de résonateurs à membrane couplée qui sont mis en mouvement grâce à des électrodes interdigitées placées à quelques centaines de nanomètres sous la membrane. Les déplacements mécaniques de ces membranes sont lus par des moyens optiques. Afin d'améliorer la réflectivité et donc la lecture optique, des miroirs à cristaux photoniques sont conçus au sein de chaque membrane. Sur la base de simulations numériques, les modes propres mécaniques, l'efficacité de l'excitation électromécanique et le couplage mécanique entre les membranes sont discutés et évalués. La deuxième partie se concentre sur la dynamique linéaire et non linéaire de deux résonateurs couplés. Nous présentons un modèle pour caractériser la réponse du système dans le régime linéaire, en montrant comment les forces externes ont un impact sur les dynamiques en amplitude et en phase. Les expériences démontrent un contrôle interférométrique sur les réponses mécaniques par le biais d'une double excitation, conduisant à des phénomènes de type CPA (Coherent Perfect Absorption). Dans ce cadre, l'amplification et l'annihilation de la réponse en amplitude sont démontrées. De plus, grâce à la mesure de la phase, nous démontrons la présence d'une charge topologique dans l'espace des paramètres étudiés ainsi qu'une nouvelle stratégie pour l'amplification de phase d'un petit signal. Des forces électriques plus fortes induisent des non-linéarités mises en évidence par des bistabilités et modélisées par des résonateurs de Duffing couplés. L'implémentation d'une boucle de rétroaction électrique envoyant le signal enregistré d'une membrane à l'autre permet de contrôler les bistabilités. En outre, elle permet également d'accéder à des régions de multistabilité ouvrant ainsi de nouvelles voies vers des processus physiques et dynamiques plus riches et complexes. La troisième partie étend ces recherches au cas plus complexe de trois membranes couplées. Ici, nous explorons d'abord le système dans son régime linéaire et développons des techniques pour contrôler expérimentalement les modes propres mécaniques. Pour ce faire, les actionnements électriques ainsi que les moyens de lecture optique peuvent être réglées pour ajuster les résonances mécaniques. Ainsi, dans le régime linéaire, les résonances de Fano dues aux interférences entre modes de résonance sont révélées et contrôlées par des moyens in situ. En augmentant la force d'actionnement, on atteint un régime non linéaire où des régions de verrouillage de phase sont identifiées. Cela démontre l'interaction entre les résonances de Fano et la synchronisation dans un large espace de paramètres. Enfin, nous ouvrons des perspectives de recherche sur le comportement collectif et les phénomènes plus complexes dans des réseaux de résonateurs non linéaires couplés de plus grande taille. Cela nécessite d'explorer différents schémas de couplage et de relever les défis des techniques de détection. À terme, cela pourrait contribuer à des applications prometteuses dans le domaine de la modulation optique à faible puissance, des technologies de détection et des systèmes électro-optomécaniques non linéaires avancés
Micro and nanoelectromechanical systems are widely explored for applications in integrated photonics and for probing fundamental physical phenomena. A significant body of research focuses on coupled resonators' linear and nonlinear dynamics and their collective behaviors. This thesis presents the design, fabrication, and characterization of coupled nano-opto-electromechanical membranes in both linear and nonlinear regimes and is divided into three main parts. The first part details the design, optimization, and fabrication of coupled membrane resonators, which are put into motion thanks to interdigitated electrodes placed at a few hundred nanometers underneath the membrane. The mechanical displacement of these membranes is read by optical means. In order to enhance the reflectivity and thus the optical reading, photonic crystal mirrors are designed on each membrane. Based on numerical simulation, mechanical eigenmodes, electromechanical excitation efficiency, and mechanical coupling between membranes are discussed and assessed. The second part focuses on the linear and nonlinear dynamics of two coupled resonators. We present a model for characterizing the system's response in the linear regime, showing how external forces impact the amplitude and phase dynamical responses. Experiments demonstrate interferometric control over mechanical responses through double excitation, leading to CPA-like (Coherent Perfect Absorption) phenomena. Within this framework, amplification and annihilation of amplitude response is demonstrated. Moreover, thanks to the phase dynamics, we demonstrate a topological charge in the parameter space studied as well as a new strategy for phase amplification of small signals. Stronger electrical forces induce nonlinearities highlighted by bistabilities and modeled by coupled Duffing resonators. The implementation of an electrical feedback loop by sending the recorded signal from one membrane to the other allows the control of bistabilities. Beyond this, it also allows access to multistability regions, opening new avenues towards richer physics and more complex dynamical processes. The third part expands these investigations to the more complex case of three coupled membranes. Here, we first explore the system in its linear regime and develop techniques to experimentally control mechanical eigenmodes. In order to do so, electrical actuators, as well as optical readings, can be adjusted to tune mechanical resonances. Thus, in the linear regime, Fano resonances due to interferences between resonant modes are revealed and controlled by in-situ means. By pushing towards stronger actuation, a nonlinear regime is reached where phase-locking regions are identified. This demonstrates the interplay between Fano resonances and synchronization in a large parameter space. Finally, we provide perspectives for further research on collective behavior and more complex phenomena in larger nonlinear coupled resonator arrays. This requires exploring different coupling schemes and challenges related to detection techniques. Down the line, this may contribute to promising applications in low-power optical modulation, sensing technologies, and advanced nonlinear electro-optomechanical systems

Le domaine térahertz (THz) est une gamme de fréquence encore peu étudiée. La difficulté à générer et à détecter dans ce domaine a longtemps empêché son développement comparativement aux domaines de l’optique (> 100 THz) et des micro-ondes (< 100 GHz). L’étude proposée dans cette thèse concerne les guides d’onde THz basés sur l’adaptation des structures des fibres optiques à coeur creux composées d’un cristal photonique. Les faibles pertes qu’il est possible d’atteindre avec ce genre de fibres optiques ont été démontrées. L’intérêt de cette adaptation est donc de retrouver les avantages de ce genre de structures au domaine THz. Un chapitre introductif présente plus en détail le domaine THz et les contraintes de ce domaine. Un état de l’art des guides d’onde THz ainsi que le banc de spectroscopie THz dans le domaine temporel développé pour l’étude des guides d’onde sont aussi présentés. Le deuxième chapitre est consacré aux modèles développés en optique pour expliquer le confinement dans les fibres basées sur les cristaux photoniques ainsi que l’adaptation de ces cristaux aux domaines micro-ondes et THz. Le dernier chapitre porte sur l’optimisation et la réalisation de résonateurs micro-ondes et de guides d’onde THz basés sur des cristaux photoniques à bandes interdites adaptés
The domain terahertz (THz) is a little studied frequency range. The difficulty to generate and detect in this domain has long prevented its development compared to the optical domain (> 100 THz) and microwaves (<100 GHz). The study proposed in this thesis concerns the terahertz waveguides based on structural adaptation of hollow core optical fibers composed of a photonic crystal. The low losses it is possible to achieve with this kind of optical fibers have been demonstrated. The interest of this adaptation is to find the same advantages of such structures in THz. An introductive chapter provides more detail on the THz domain and the constraints of this area. A state of the art of THz waveguides and the THz time domain spectroscopy setup developed for the study of waveguides are presented. The second chapter is devoted to models developed to explain the optical confinement in fibers based on photonic crystals and the adaptation of these crystals to microwave and THz domains. The last chapter deals with the optimization and realization of microwave resonators and waveguides THz based on adapted photonic bandgap crystals

Les cavités couplées à base de cristal photonique (PhC) représentent des plates-formes intéressantes pour de nombreux protocoles d'information ou de calcul, tant classiques que quantiques. Elles servent également de bancs d'essai très polyvalents pour étudier des phénomènes optiques avancés, tels que les zero-modes photoniques non Hermitiens. Ces zero-modes, des états liés intrigants ayant suscité l'intérêt à travers le cas des zero-modes de Majorana, présentent des valeurs propres d'énergie nulle dans un réseau de cavités ou de guides d'ondes. En tant que modes protégés topologiquement ou symétriquement, on s'attend à ce qu'ils soient robustes face aux désordres de couplage, ouvrant ainsi un large éventail d'applications, de l'ingénierie des modes laser au calcul optique. Ce travail de thèse présentel'observation expérimentale des zer-modes photoniques dans des réseaux unidimensionnels de cavités couplées présentant une distribution de gain/perte, également appelés réseaux non Hermitiens. Notre étude s'est focalisée sur des réseaux composés d'un nombre impair de cavités (trois et cinq). Nous avons notamment constaté que le contrôle du couplage évanescent entre les cavités modifie considérablement le désaccord en fréquence, ce qui entrave la réalisation des zero-modes. Pour contourner ce problème, nous avons développé un nouveau design que nous avons appelée "technique d'ingénierie des barrières images", permettant un contrôle précis de la force de couplage au sein de réseaux unidimensionnels de cavités couplées sans le désaccord en fréquence concomitant causé par les terminaisons dans la chaîne, élargissant ainsiconsidérablement la plage d'observabilité des modes zéro. Cette méthode facilite également la construction de chaînes de cavités avec un couplage non uniforme, ce qui nous permet d'évaluer l'immunité inhérente des zero-modes face aux perturbations de couplage. Remarquablement, la capacité à inverser les signes de couplage permise par notre méthode de contrôle du couplage conduit à une inversion de la symétrie du zero-mode, permettant donc d'élargir le potentiel pour des investigations expérimentales et théoriques de ces modes. Cela offre une possibilité de réaliser une oscillation de zero-mode en phase, une caractéristique intéressante pour exalter le champ lointain des lasers topologiques
Coupled photonic crystal (PhC) cavities are outstanding platforms for many classical and quantum information or computing protocols. They are also highly versatile testbeds for exploring advanced collective optical phenomena, such as the so-called non-Hermitian photonic zero modes. Zero modes are intriguing bound states that have captured attention through the elusive case of Majorana zero modes. In optics, “photonic zero-modes” exhibit zero-energy eigenvalues in a cavity or waveguide array. Being topologically or symmetry-protected modes, they are expected to be robust against coupling disorder, opening up a wide range of applications, from laser mode engineering to optical computing. This thesis work presents the experimental observation of photonic zero modes in small coupled cavity arrays featuring a gain/loss distribution -also called non-Hermitian arrays composed of an odd number of photonic crystal (PhC) cavities, from three to five. Importantly,we have found that controlling the evanescent coupling between the cavities significantly alters the frequency detuning which hampers the realization of zero modes.To address this issue, we developed a new design that we called “image barrier ” engineering technique, which enables precise control of coupling strength within 1D arrays of coupled cavities without the concomitant frequency detuning caused byterminations in the chain, thus, significantly expanding the observability range of zero modes. This method also facilitates the construction of cavity chains with nonuniform coupling, thus allowing us to assess the inherent immunity of zero modesto coupling perturbations. Remarkably, the ability to invert coupling signs enabled by our coupling control method leads to achieving an inversion of the zero mode's symmetry, broadening the potential for experimental and theoretical investigationsof these modes, either symmetry or topologically protected. This gives a handle to realize in-phase zero-mode oscillation, a crucial requirement to improve the far-field of topological lasers

Nous assistons aujourd'hui à une explosion des demandes de calcul, de stockage et de transfert de données. Dans ce contexte, le développement des ordinateurs à haute performance est crucial mais il est limité par le débit et la consommation des interconnexions électriques entre puces ou intra-puces. La photonique sur silicium propose de lever ce verrou technologique en utilisant la maturité des procédés de fabrication de microélectronique pour concevoir des interconnexions optiques à très haut débit et à faible énergie par bit. Dans ces travaux, nous nous proposons de dimensionner un lien optique intégré sur silicium pour par exemple adresser le défi technologique des interconnexions intra-puces entre un processeur et une mémoire DRAM de dernière génération. Le lien optique conçu est multiplexé en longueur d’onde et utilise des composants intégrés à faible empreinte appelés anneaux résonants pour les fonctions de modulation et de démultiplexage. Les sources laser dont seront munis ces interconnexions consomment une puissance importante : nous nous attachons à optimiser la performance des composants utilisés en termes de puissance optique. A partir d’une analyse système, nous proposons une architecture de lien et construisons un modèle pour évaluer les pénalités en puissance optique associées au transmetteur et au récepteur du lien de communication à l’aide de simulations statiques et dynamiques. Ce modèle comprend des contributions des modulateurs et des filtres du démultiplexeur considérés individuellement ainsi que des contributions liées au multiplexage en longueur d’onde à l’émission et à la réception. Des modulateurs optiques en anneau sont fabriqués en technologie PIC25G, caractérisés en statique et en dynamique puis comparés au modèle. Enfin, des démonstrateurs multiplexés en longueur d’onde sont conçus et mis en œuvre permettant de valider nos modèles prédictifs et d'en soulever de futurs perfectionnements
The 21st century is characterized by the explosion of demand for computing power as well as data storage and transfer. In this context, the development of high-performance computers is crucial but it is limited by the bandwidth and the energy efficiency of chip-to-chip and intra-chip electrical interconnects. Silicon photonics is a promising solution that uses microelectronics manufacturing techniques to fabricate optical components dedicated to efficient and high-bit-rate optical communication links.This work aims at designing a silicon photonic intra-chip high-bandwidth interconnect based on the example of latest-generation DRAM specifications. Wavelength division multiplexing (WDM) is used with low-footprint components called optical ring resonators for modulation and filtering.Lasers sources are a non-negligible contributor to overall system power consumption. For this reason, this thesis focuses on the optimization of ring resonators in terms of optical power. We first carry out a system analysis and propose an architecture that consists of parallel WDM links. Then a system model that evaluates optical power penalties related to the transmitter and the receiver is built up using static and dynamic simulations. Individual contributions of modulators, filters as well as the impact of adjacent channels at the transmitter and receiver sides are taken into account. Optical ring modulators are fabricated in PIC25G technology and characterized through static and dynamic measurements in order to validate our model. Finally, wavelength division multiplexed prototypes are designed and demonstrations corresponding to different WDM configurations are carried out which allows for suggestions of future improvements from the comparison with our predictive model

Contribution a la thermographie et a la thermometrie biomedicales par cristaux liquides cholesteriques; a l'emissivimetrie infrarouge et a la rugosimetrie par analyse de speckle; a la keratoplastie par laser co::(2)

Ces travaux de recherche portent sur l'étude de stmctures guidantes à base de cristaux photoniques. Il s'agit de réseaux de trous d'air gravés dans une hétérostructure confinante de type InP/lnGaAsP/lnP. Notre contribution sur ce sujet regroupe des aspects numériques théoriques bi et tridimensionnels et des aspects de fabrication. Les cristaux photoniques ont un grand intérêt pour l'optique et les télécommunications, car ils permettent de manipuler la lumière -routage, (dé)multiplexage, filtrage - dans des dimensions restreintes. Par analogie avec le gap des semiconducteurs, la périodicité de ces matériaux génère l'ouverture d'une bande spectrale interdite pour les photons. Nous exploitons à la fois cette bande interdite pour réaliser des guides optiques ou des dispositifs de filtrage directionnels appelés « Add-drop », et les bandes permises du cristal pour l'étude de la réfraction négative dans ces milieux périodiques qui peuvent posséder un indice de réfraction négatif.

On appelle laser à émission spontanée contrôlée, un laser dont la fraction beta d'émission spontanée dans le mode laser s'approche de 1. De tels composants présentant une redistribution spatiale et une exaltation de la dynamique d'émission spontanée, doivent présenter des seuils laser réduits et des bandes de modulation directe accrue. Ceci requiert néanmoins le recours à des cavités de fort facteur de qualité et de faible volume modal. Les cavités à cristaux photoniques sur membrane peuvent satisfaire ces critères. Outre un dessin de cavité adapté, l'obtention de forts facteurs de qualité requiert des profils de gravure parfaitement verticaux des trous formant le cristal photonique. Pour cela, j'ai développé un nouveau procédé de gravure de la membrane de GaAs avec la technique d' ''Inductively Coupled Plasma - Reactive Ion Etching ''. Nos cavités en GaAs, comprenant un plan de boîtes quantiques InAs comme milieu à gain, présentent des facteurs de qualité supérieurs à 15 000. En fonction du dessin de la cavité, un effet laser a été mis en évidence à 4 K avec des fractions beta allant de 0,44 à 0,94. L'étude dynamique résolue spectralement des lasers à fort beta (~ 0,67) révèle la génération d'impulsions laser gaussiennes d'une durée de 35 ps, avec une évolution spectrale linéaire de la résonance laser durant l'impulsion. En imprimant une modulation optique directe à 10 GHz sur le composant, le chirp linéaire observé sur chaque impulsion délivrée reste identique à celui mesuré en réponse à une seule impulsion d'excitation. Ceci permet d'envisager des techniques de compensation du chirp simple et indépendant du motif de modulation.