Littérature scientifique sur le sujet « Bande 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.

La topologie décrit les propriétés d’un objet qui ne changent pas quand il est déformé. En photonique elle permet de classer les bandes de fréquence d’un matériau structuré selon leurs symétries locales. À l’interface entre deux matériaux optiques de topologie distincte apparaissent des modes guidés de propagation très robuste. Nous donnons ici les notions fondamentales pour en comprendre les propriétés.

Ce travail porte sur la réalisation de matériaux à bandes interdites photoniques (BIP) dans le domaine du visible à base d’opales artificielles. La première phase que nous abordé a été l’élaboration des opales et plus particulièrement la préparation de suspensions colloïdales par la méthode de Stöber. Pour obtenir une auto-organisation des particules de silice de bonne qualité nous avons travaillé à l’affinement de la distribution en taille des particules de silice. Nous avons montré que pour notre dispositif opératoire il est nécessaire que les réactifs soient purifiés et thermostatés à 40°C puis que la réaction soit menée sous agitation moyenne (500 tr. Min-1). Les suspensions colloïdales sont stabilisées par extraction des particules et remises en suspension dans l’eau puis par chauffage à 120°C/30min. La structure interne des particules de silice montre une nanoporosité. Les opales ont été élaborées par électrosédimentation et consolidées à 950°C. Les propriétés optiques optimales, réflectivité maximale, ont été obtenues pour un recuit de 4 heures. La deuxième partie de ce travail a porté sur l’utilisation d’opales de silice comme préforme pour infiltrer le réseau poreux et construire des opales inverses plus prometteuses en terme de matériau photonique. Nous avons infiltré les opales précédentes par des matériaux à fort indice (TiO2, ZrO2, Métaux magnétiques, Or) soit par imprégnations successives soit par électro-cristallisation. C’est la deuxième méthode qui a donné des résultats les plus satisfaisants. La troisième partie de ce travail concerne la mise au point d’une méthode l’élaboration de cristaux photoniques par dépôt de nappes successives de particules. Des monocouches de bonnes qualités ont été obtenues avec des suspensions colloïdales contenant entre 5,5 et 9 mol. L-1 de silice sous la forme de particules d’environ 300nm et une vitesse d’extraction de 11,5 mm. Min-1. Ces méta-cristaux bidimensionnels de symétrie hexagonale montrent une bonne efficacité de diffraction. Par contre la qualité des couches suivantes se dégrade rapidement. La stabilité mécanique et la grande qualité de la structuration des monocouches de billes de silice sur ces substrats a rendu possible leur utilisation pour la nanostructuration 2D de plots métalliques et la réalisation d’un laser à réaction distribuée
The first phase of the project was the development of the opals, particularly the preparation of colloid suspensions by the Stöber reaction. To achieve self-organization of the silica particles with a good quality, we worked on the refinement of the size distribution of the silica particles. We showed that, for our operational device, it is necessary for the reagents to be purified and moderated at 40°C then that the reaction is carried out under moderate agitation (500 tr. Min-1). The colloidal suspensions are stabilized by extraction of the particles and handing-over in suspension in water then by heating with 120°/30 min. The colloidal spheres internal structure shows nanoporosity. The opals were worked out by electrosedimentation and were consolidated at 950°C. The optimal optical properties, maximum reflectivity, were obtained for a 4 hours annealing. The second part of this work consisted in using the silica opal as preforms to infiltrate the porous network and to build inverse opals more promising in term of photonic crystals. We infiltrated the previous opals with materials having a strong index (TiO2, ZrO2, magnetics metals, Au) either by successive infiltrations cycles or by electrocrystallization. The second method gave the most satisfying results. The third part of this work is related to the development of a method to elaborate photonic crystal by depositing successive monolayers of silica particles. On a substrate good quality monolayers were obtained with colloidal suspensions containing between 5. 5 and 9 M of silica in the form of particles of approximately 300 nm and a speed of extraction of 11,5 mm. Min-1. These two-dimensional meta-crystals of hexagonal symmetry show a good of diffraction yield. On the other hand the quality of the following layers degrades quickly. The mechanical stability and great structure quality of the monolayer of silica balls on these substrates made possible their use for the 2D nanostructuration of metal studs and the realization of the DFB laser

Les materiaux a bande interdite photonique (bip) sont des arrangements periodiques composes de dielectrique ou de metal. Ils presentent la particularite d'interdire la propagation des ondes electromagnetiques pour certaines bandes de frequences. Les resultats presentes dans ce memoire concernent la recherche d'applications de ces structures liees aux antennes. Pour cela, une premiere etape a consiste a comprendre les interactions qui existent entre une antenne et un bip metallique (bipm), particulierement interessant aux frequences micro ondes, non sans avoir etudie l'influence des differents parametres physiques sur les bandes interdites. Une etude experimentale de differentes structures a permis de valider les resultats theoriques et de mettre en place des techniques de caracterisation en onde plane et avec le champ proche d'un dipole. Des structures plus complexes ont alors pu etre concues et differentes applications ont ete experimentees, utilisant a la fois les caracteristiques en reflexion et en propagation des bip : - la reduction des lobes de reseau - la conformation de faisceau pour ces differentes applications, le resultat vise s'accompagne souvent d'une augmentation du gain, l'energie etant guidee dans les seules directions ou elle peut se propager. Aux frequences micro ondes, des structures actives ont aussi ete etudiees. Il s'agit de bipm pour lesquels des transistors ont ete ajoutes sur les fils, permettant de passer de fils continus a des fils discontinus. Ces structures offrent la possibilite de changer dynamiquement l'allure du faisceau emis. Aux frequences millimetriques, d'une part, une technologie de realisation faible cout a ete mise en place. Les differents parametres intervenant dans la realisation ont ete integres dans une methode de dimensionnement des structures. D'autre part, plusieurs bip 2d ont ete realises pour fonctionner en bandes ka et v. Ils ont ete caracterises en onde plane puis ont ete utilises avec une antenne patch, montrant ainsi les differentes possibilites offertes par l'utilisation des bip a ces frequences : conformation de faisceau, augmentation du gain, fonctionnement mono ou bi-faisceau, mise en boitier, integration. Des simulations realisees grace a la methode fdtd ont aussi montre que l'utilisation de structures 3d permet d'ameliorer encore les performances des antennes. Dans ce travail, les bip sont consideres comme des filtres frequentiels, angulaire et de polarisation.

Ce travail est consacré à la réalisation et à l'étude de microstructures à bande interdite photonique à base de silicium nanoporeux. Nous commençons notre étude par des structures planaires de type microcavité, dont nous caractérisons l'influence sur la photoluminescence du matériau, en termes de redistribution spectrale et angulaire. Il apparaît très vite la nécessité de contrôler la propagation de la lumière dans le plan de la structure. Aussi, nous cherchons d'abord à favoriser la propagation latérale au moyen d'une structuration verticale de l'indice, et nous étudions le guidage au moyen de deux types de structures, exploitant soit à un guidage conventionnel par réflexion totale interne, soit à un guidage par réflexion de Bragg. À cette occasion, nous proposons une méthode numérique basée sur le formalisme des matrices de transfert, permettant de calculer l'atténuation de la puissance transportée dans le plan. Par la suite, nous mettons à profit le procédé holographique de structuration d'indice démontré par des travaux antérieurs et étudions son influence sur la lumière guidée. La transmission, mesurée en lumière blanche sur un guide multimode révèle de multiples bandes interdites que nous interprétons en termes de couplages diagonaux et non diagonaux. La confrontation des mesures avec une modélisation par la méthode des modes couplés nous permet d'établir une carte d'indice de notre structure. Il apparaît une biréfringence marquée dans les régions insolées par le procédé holographique, caractérisées par une diminution deux fois plus importante de l'indice extraordinaire (delta n = -0,4) que de l'indice ordinaire (delta n = -0,22). Avec une période de 450 nm, ces valeurs de contraste sont encourageantes, mais le bilan est plus mitigé concernant la profondeur effective sur laquelle l'indice est modulé, de l'ordre de seulement 0,5 micromètres.

Ce travail est consacre a la realisation et a l'etude de microstructures a bande interdite photonique a base de silicium nanoporeux. Nous commencons notre etude par des structures planaires de type microcavite, dont nous caracterisons l'influence sur la photoluminescence du materiau, en termes de redistribution spectrale et angulaire. Il apparait tres vite la necessite de controler la propagation de la lumiere dans le plan de la structure. Aussi, nous cherchons d'abord a favoriser la propagation laterale au moyen d'une structuration verticale de l'indice, et nous etudions le guidage au moyen de deux types de structures, exploitant soit a un guidage conventionnel par reflexion totale interne, soit a un guidage par reflexion de bragg. A cette occasion, nous proposons une methode numerique basee sur le formalisme des matrices de transfert, permettant de calculer l'attenuation de la puissance transportee dans le plan. Par la suite, nous mettons a profit le procede holographique de structuration d'indice demontre par des travaux anterieurs et etudions son influence sur la lumiere guidee. La transmission, mesuree en lumiere blanche sur un guide multimode revele de multiples bandes interdites que nous interpretons en termes de couplages diagonaux et non diagonaux. La confrontation des mesures avec une modelisation par la methode des modes couples nous permet d'etablir une carte d'indice de notre structure. Il apparait une birefringence marquee dans les regions insolees par le procede holographique, caracterisees par une diminution deux fois plus importante de l'indice extraordinaire (n = 0,4) que de l'indice ordinaire (n = 0,22). Avec une periode de 450 nm, ces valeurs de contraste sont encourageantes, mais le bilan est plus mitige concernant la profondeur effective sur laquelle l'indice est module, de l'ordre de seulement 0,5 m.

Les matériaux à Bande Interdite Photonique (B. I. P. ) présentent des propriétés de réflexion et de filtrage fréquentiel très intéressantes. C'est ce qui explique l'engouement de la part de la communauté scientifique pour ces structures. Ces dernière années, de nombreuses applications ont été développées que ce soit en optique, micro-onde ou électromagnétique. Ce mémoire se consacre plus précisément à l'étude de cristaux photonique dans le but de réaliser des antennes à résonateur B. I. P. Tirant au mieux parti de leurs propriétés : Antenne à résonateur B. I. P. 1D 'large bande' : Antenne à résonateur B. I. P. 1D fort gain : Antenne à résonateur B. I. P. 3D. Dans cette optique, les différentes étapes de conception de ces antennes sont présentées ainsi qu'une étude plus particulière d'une alimentation par fente pouvant remplacer l'excitation par antenne plaquée
This report is a study on photonic crystals, in order to use their properties to ceate P. B. G. Resonator antennas : Wideband 1D P. B. G. Resonator antenna : High gain 1D P. B. G. Resonator antenna : 3D P. B. G. Resonator antenna. More precisely, the different steps to design such antennas are presented as well as a study on the excitation of the structure by slot, which can replace patch antenna excitation

L'augmentation du trafic de transmission de données impose des innovations. Une solution envisagée est le multiplexage en longueur d'onde (WDM). Les dispositifs à bande interdite photonique (BIP) se prêtent avantageusement à la mise en œuvre de cette technique, puisqu'ils ne nécessitent aucune consommation d'énergie. Leur fabrication en technologie polymère fait l'objet de cette étude. La première partie de ce travail fait le point sur les structures de bandes et les densités d'états électroniques dans la bande de valence des milieux organiques, dont il est fait usage pour les applications. La partie suivante est consacrée à la compréhension des phénomènes physiques liés à la notion de cristal photonique, selon les modèles de : Yablonovitch et John. Ensuite est développée la théorie des ondes planes, utilisée dans la mise au point du programme permettant de réaliser des simulations des structures BIP. La 4ème partie traite du calcul et de la fabrication d'une machine à faisceau d'ions focalisé, au diamètre minimum de 10nm, utilisée pour graver les polymères. La dernière partie expose les conditions de gravures de réseaux diffractifs 2D dans du PMMA ou du CR39 aux dimensions précédemment calculées
. The increase in the data transmission traffic imposes innovations. A solution considered is the Wavelenght Demultiplexing Method (WDM) Devices with photonic band gap lend themselves advantageously to the implementation of this technique, since they do not require any consumption of energy. Their manufacture in polymeric technology is the subject of this study. The first part of this work gives a progress report on the bands structures and on the electronic Valence Band Density Of State (VBDOS) of the organic materials use. The following part is devoted to comprehension of the physical phenomena related to the concept of crystal photonic, according to the models of : Yablonovitch and John. Then the theory of the plane waves expansion is developped and used to compute the photonic band gap structures. The 4th part is about the calculation and the manufacture of a focused ion beam machine, with a minimum beam diameter of 10nm, used to etch polymers. The last part exposes the conditions to etch 2D diffractive lattice in PMMA and CR39 according to the previously calculated dimensions

Les effets non linéaires générés dans les fibres optiques sont devenus contrôlables avec l’apparition du cristal photonique. Il a été employé pour réaliser une fibre optique à coeur de silice à grande aire effective pour repousser le seuil d’apparition de ces effets. La conception et la caractérisation de cette fibre sont étudiées en détail. Le cristal photonique permet la propagation de la lumière dans un milieu d’indice faible comme l’air, matériau faiblement non linéaire, pour supprimer les effets non linéaires. La modélisation de fibres creuses est exposée, ainsi que nos premières réalisations et caractérisations. Une fibre composée d’un cœur liquide fortement non linéaire et d’indice faible peut également être employée pour exacerber des effets non linéaires et permettre la création de nouvelles sources optiques fibrées. La première réalisation de fibre à coeur liquide est présentée. Une théorie permettant la compréhension du guidage est développée et confirmée expérimentalement
Nonlinear effects in optical fibres were managed by means of photonic crystals (PC). On the one hand, such a metamaterial was employed to increase the threshold of appearance of nonlinear effects. Hence a silica core PC fibre exhibiting a large effective mode area was designed and fabricated. The subsequent characterization was studied in detail. Moreover, a properly designed PC allows propagation of light in a low index media such as air, which is a low nonlinear medium. Modelling of hollow core PC fibre was exposed together with our realizations and characterisations. On the other hand, specific properties of PC allow to propagate light in a highly-nonlinear low-index liquid filling the hollow core of a PC fibre so as to exacerbating nonlinear effects and creating novel optical sources. To the best of our knowledge, a low-loss liquid-core PC fibre was fabricated for the first time. A comprehensive theory of propagation was developed and confirmed by experiments

Cette thèse concerne l'étude des propriétés linéaires des fibres optiques à bandes interdites photoniques et à coeur solide et l'utilisation de leurs caractéristiques singulières en optique non-linéaire guidée. La partie I est consacrée au calcul des bandes interdites photoniques que présente la gaine microstructurée. Nous avons mis en place un outil numérique de calcul de bandes par la méthode de décomposition en ondes planes en tenant compte de la dispersion des matériaux. Cet outil a été utilisé pour concevoir une fibre permettant la photo-inscription d'un réseau de Bragg. La méthode des perturbations stationnaires est ensuite appliquée pour déterminer les indices effectifs des modes autorisés aux grandes longueurs d'onde et identifier les modes linéairement polarisés vers lesquels ils évoluent.Dans la partie II, l'équation de Schrödinger non-linéaire généralisée est établie. Dans le cas d'une fibre effilée, il apparaît un terme supplémentaire permettant la conservation du nombre de photons. L'expression analytique usuelle du taux d'auto-décalage Raman est étendue au cas des solitons de courte durée jouant un rôle majeur dans le processus de génération de supercontinuum.La partie III est consacrée aux résultats obtenus en régime non-linéaire dans les fibres à bandes interdites photoniques à coeur solide. Nous montrons théoriquement que la forte valeur de la dispersion du troisième ordre est à l'origine de la suppression de l'auto-décalage Raman juste avant le bord de bande et sans pertes significatives. Cette suppression est ensuite utilisée pour limiter l'étendue spectrale et augmenter la stabilité tir-à-tir d'un supercontinuum
This thesis concerns the linear properties of solid-core photonic bandgap fibers and the use of their specific properties for guided non-linear optics.Part I focuses on optical properties of the core mode whose guidance mechanism is related to the photonic bandgaps of the microstructured cladding. A numerical tool is developed for bandgap calculation using the plane wave expansion method with the dispersion taken into account. This tool was used for the design of a fiber which allows the photo-writing of a Bragg grating. Then, the stationary perturbation method is applied to the determination of the effective index of the allowed modes at long wavelengths and to the identification of linearly polarized modes towards which they evolve.In part II, the generalized non-linear Schrödinger equation is established. In the case of a tapered fiber, an extra-term appears in the equation allowing the exact conservation of the photons number. Then, the principles of the soliton red-shift and supercontinuum generation are recalled. The usual analytical expression of soliton self-frequency shift rate is extended to the case of short-duration solitons which play an important part in the dynamics of supercontinuum generation.Part III focuses on results obtained in nonlinear regime in solid-core photonic bandgap fibers. We show that the strong value of the third order dispersion term is the cause of the soliton self-frequency shift suppression near the bandgap edge without significant energy loss. Then, this suppression was used to tailor the spectral extent of the supercontinuum and to reduce pulse-to-pulse fluctuations

Les débits des télécommunications optiques sont considérablement accrus par le multiplexage dense en longueur d'onde (D. W. D. M. ). Pour séparer les différents canaux, des filtres fréquentiels ultra-sélectifs sont nécessaires. Les réseaux résonnants, formés d'un réseau gravé sur un guide d'onde plan, sont une solution potentielle. Ces structures supportent des modes propres pouvant être excités par une onde issue d'une fibre optique. L'excitation produit un pic de résonance en réflexion, à une longueur d'onde et un angle d'incidence donnés. Le pic ne possède en général pas les qualités requises pour le D. W. D. M. : en incidence oblique, les tolérances angulaire et spectrale sont faibles et les profils dépendent de la polarisation. En conjuguant les concepts des cristaux photoniques, une théorie phénoménologique rigoureuse et une théorie perturbative, nous concevons un filtre répondant à toutes les contraintes imposées par le D. W. D. M. . Nos résultats sont validés par des exemples numériques
Dense wavelength division multiplexing (D. W. D. M. ) significantly increases the optical telecommunication transmission rates. To separate the channels, narrow band spectral filters are necessary. Resonant gratings, composed with a grating engraved on a planar waveguide, are a potential solution. These structures support eigenmodes, which can be excited by a wave coming out of an optical fiber. The excitation creates a resonance peak in the reflected beam, for a given wavelength and incidence angle. In general, the peak does not exhibit the qualities required for the D. W. D. M. : at oblique incidence, the angular and spectral tolerances are weak, and the line shapes are polarization dependent. Combining photonic crystals concepts, a rigorous phenomenological theory, and a perturbative theory, we design a filter that meet all the conditions imposed by the D. W. D. M.

Par rapport au traitement électrique des données, en passant au domaine optique et aux circuits nanophotoniques la bande passante disponible augmente considérablement, la parallélisation est intrinsèquement possible et le calcul en mémoire peut être réalisé avec des matériaux à changement de phase. Ce chapitre présente les détails et les applications de cette technologie, jusqu’à un réseau neuronal artificiel optique.