Généralisation de la méthode modale de Fourier aux problèmes de diffraction en optique intégrée. Application aux convertisseurs modaux par ingénierie des modes de Bloch.
Résumé
New nanostructured materials are very promising for future applications in integrated optic. However, two important steps are needed for make them a reality. First, it is necessary to implement numerical methods for study and design them because, their typical dimension being in the order of the wavelength, no approached model exist and only Maxwell?s laws are valid. Second, these new optical components must be connected to classical ones in order to be exploited. Unfortunatly, the largely different profil of electromagnetic modes in these two different kind of structures induce important insertion losses which dramatically reduces the performances of these components. The objectives of this work are precisely to provide a solution to these two problems. In the first section we present an original method for calculate waveguide diffractive problems. This method is derivated from the Fourier Modal Method (or RCWA) and is achieved by introduction of virtual periodicity and incorporation of artificial absorbers. In the second section, we are designing efficient tapers for short integrated Bragg mirrors by Bloch-wave engineering, using a complex-gradient index between the classical waveguide and the mirror. Numerical investigation shows that the fabrication of very short low-losses and small modal volume integrated cavities is theoretically possible. The reduction of the losses induced by the tapers are experimentally demonstrated for SOI substrates cavities.
Cette thèse s'inscrit dans la mouvance entourant les matériaux nanostructurés pour la photonique. Ces nouveaux composants, structurés à l'échelle de la longueur d'onde, offrent la possibilité de confiner le champ électromagnétique à une échelle très petite, ouvrant ainsi la voie à des composants optiques compacts. En outre, ces matériaux offrent également la possibilité de contrôler l'émission spontanée d'atomes émetteurs, et donc de concevoir des lasers à très bas seuil par exemple. Bien que les premières étapes visant à leur réalisation aient déjà été franchies, de nombreux problèmes subsistent. D'une part, ces matériaux étant structurés à l'échelle de la longueur d'onde, il est nécessaire pour les modéliser de résoudre les équations de Maxwell sans approximation. D'autre part, pour que ces composants puissent être utilisés en pratique, il faut parvenir à les connecter à d'autres composants optiques plus classiques. Malheureusement, le confinement du champ étant très différent entre ces deux types de composants, il survient immédiatement des pertes d'insertion élevées qui sont pressenties comme un verrou à lever pour les applications futures. C'est précisément sur ces deux problèmes que porte ma thèse. Dans la première partie, nous présentons une méthode originale de calcul de structures diffractives en optique guidée dérivée de la méthode modale de Fourier (RCWA). Cette nouvelle approche permet, en périodisant numériquement la structure que nous voulons étudier, d'appliquer des codes numériques développés à l'origine pour l'étude des réseaux de diffraction. Nous étendons ainsi de façon importante le champ d'application de la RCWA, lui permettant par exemple de calculer les caractéristiques de miroirs de Bragg ou de cavités intégrées. Dans la seconde partie, nous nous attaquons au problème des pertes d'insertion en développant des convertisseurs modaux efficaces pour des miroirs de Bragg intégrés courts. Pour ce faire, nous déformons progressivement le mode de Bloch fondamental du miroir en imposant au convertisseur un gradient d'indice complexe. Nos calculs numériques montrent que ces convertisseurs modaux peuvent être très courts, ouvrant ainsi la voie à la réalisation pratique de cavités courtes et à faibles pertes. Cette approche est validée pour des cavités fabriquées dans un substrat de silicium sur isolant.
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