Study of light propagation and confinement in nanostructures
Etude de la propagation et du confinement de la lumière dans des nanostructures
Résumé
A fine understanding of the interactions between light and materials structured at a wavelength scale is necessary to achieve an efficient control of the photons in small volumes. Applications of this control cover many different fields, from optical interconnects to solid state quantum electrodynamics experiments. In this work, we have studied the interactions between light and structures based on bidimensionnal photonic crystals etched in thin films stacks. These structures can be used both in integrated optics and in free space optics. Competitive numerical simulation tools have been developed for this study.
We have first studied theoretically and numerically the light propagation in photonic crystal waveguides. We have calculated three important physical quantities related to a one-missing-row waveguide: the attenuation, the lifetime and the reflection coefficient of the fundamental guided mode.
We have also studied the light confinement in photonic crystal microcavities. We have evidenced that, even at the wavelegnth scale, physics of the light confinement is essentially governed by classical quantities: the radiation losses occuring at the mirror interface and the group velocity of the Bloch mode guided inside the cavity.
Finally, we have studied an application of photonic crystals to free space optics. Their unusual dispersion properties have been used to design high efficient and broadband diffractive optical elements.
We have first studied theoretically and numerically the light propagation in photonic crystal waveguides. We have calculated three important physical quantities related to a one-missing-row waveguide: the attenuation, the lifetime and the reflection coefficient of the fundamental guided mode.
We have also studied the light confinement in photonic crystal microcavities. We have evidenced that, even at the wavelegnth scale, physics of the light confinement is essentially governed by classical quantities: the radiation losses occuring at the mirror interface and the group velocity of the Bloch mode guided inside the cavity.
Finally, we have studied an application of photonic crystals to free space optics. Their unusual dispersion properties have been used to design high efficient and broadband diffractive optical elements.
Une compréhension fine des interactions de la lumière avec des matériaux structurés à l'échelle de la longueur d'onde est nécessaire pour parvenir à contrôler les photons (émission, propagation et détection) dans de petits volumes de l'ordre de quelques lambda cube. Les applications de ce contrôle couvrent des domaines très variés, allant des interconnexions optiques à la réalisation d'expériences d'électrodynamique quantique à l'état solide. Au cours de cette thèse, nous avons étudié les interactions de la lumière avec des structures à base de cristaux photoniques bidimensionnels gravés dans un empilement de couches minces, structures qui peuvent être utilisées aussi bien en optique guidée qu'en optique en espace libre. Pour cela, des outils de simulation numérique tridimensionnelle performants ont été développés.
Tout d'abord, nous avons réalisé une étude théorique et numérique de la propagation de la lumière dans des guides à cristaux photoniques. Nous nous sommes intéressés à un système modèle, le guide à une rangée manquante, ainsi qu'à trois quantités physiques essentielles, l'atténuation, la durée de vie et le coefficient de réflexion du mode fondamental.
Nous avons également étudié le confinement de la lumière dans des microcavités à cristaux photoniques. Nous avons en particulier montré que, même à l'échelle de la longueur d'onde, la physique du confinement est essentiellement gouvernée par des quantités classiques : les pertes radiatives à l'interface des miroirs et la vitesse de groupe du mode de Bloch guidé à l'intérieur de la cavité.
Finalement, nous avons étudié une application des cristaux photoniques à l'optique diffractive en espace libre. Leurs propriétés de dispersion structurale originales nous ont permis de concevoir des optiques diffractives qui restent efficaces sur une large bande spectrale.
Tout d'abord, nous avons réalisé une étude théorique et numérique de la propagation de la lumière dans des guides à cristaux photoniques. Nous nous sommes intéressés à un système modèle, le guide à une rangée manquante, ainsi qu'à trois quantités physiques essentielles, l'atténuation, la durée de vie et le coefficient de réflexion du mode fondamental.
Nous avons également étudié le confinement de la lumière dans des microcavités à cristaux photoniques. Nous avons en particulier montré que, même à l'échelle de la longueur d'onde, la physique du confinement est essentiellement gouvernée par des quantités classiques : les pertes radiatives à l'interface des miroirs et la vitesse de groupe du mode de Bloch guidé à l'intérieur de la cavité.
Finalement, nous avons étudié une application des cristaux photoniques à l'optique diffractive en espace libre. Leurs propriétés de dispersion structurale originales nous ont permis de concevoir des optiques diffractives qui restent efficaces sur une large bande spectrale.
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