Exaltation des Non Linéarités du Troisième Ordre dans les Structures à Cristal Photonique
Résumé
Due to their original light propagation properties, photonic crystal structures allow to realize high quality and small dimension devices for all optical classical and quantum signal processing. The aim of this work is to show the enhancement of third order non linearities in photonic crystals and to favour, thanks to theoretical modelling and practical experiments, the comprehension of this amazing process. We point out that the clue resides in the great ability of photonic crystals to localise light at the photonic band edge. This phenomenon, directly linked to the slowing of light inside the structure, is very beneficial to favour non linear interactions. Theoretically, we have studied, thanks to a matrix formalism extended to non linear case of four wave mixing, several 1D structures. We showed the high enhancement of the conjugated reflectivity at the photonic band edge, this one is directly linked to the high localisation of light at this wavelength. The structural parameters favouring this localisation are also high lightened. Several spectroscopic and time resolved studies on 1D structures with low (PC II-VI) or high (PC III-V) index contrast have been realised. They have showed that very high free carriers densities photo generated by multi photonic absorption are extremely favoured at the photonic band edge. We also studied 2D structures using serial Fourier decomposition of the 2D grating and we compared performances of the tilted 1D photonic crystal and of the 2D photonic crystal.
Grâce à leurs propriétés originales de propagation de la lumière, les structures à cristal photonique présentent d’excellents atouts pour la réalisation de dispositifs de faibles dimensions et d’excellente qualité en vue du traitement classique ou quantique du signal. L’objectif de ce travail est de montrer l’exaltation des non linéarités du troisième ordre dans les structures à cristal photonique et de favoriser, grâce à des calculs théoriques et aux expériences conduites, la compréhension de ce phénomène aux multiples facettes. Nous montrons que la clé réside en la formidable capacité des cristaux photoniques à localiser la lumière en bord de bande interdite. Ce phénomène, directement relié au ralentissement de l’onde lumineuse à l’intérieur de la structure, permet de favoriser largement les processus non linéaire d’ordre trois. Au plan théorique, nous avons étudié, grâce à un formalisme matriciel étendu au cas non linéaire du mélange à quatre ondes, différentes structures 1D. Nous avons montré la forte exaltation de la réflectivité conjuguée en bord de bande interdite, celle-ci étant directement reliée à la forte localisation de la lumière à cette longueur d’onde. Les paramètres structuraux favorisant cette localisation sont également mis en évidence. Nous avons d’autre part mené différentes études spectroscopiques et résolues en temps sur des structures 1D à faible (CP II-VI) ou fort contraste (CP III-V) d’indice. Ces études ont montré que de très forts changements d’indice de réfraction sont possibles. Nous montrons également que de fortes densités de porteurs libres photo-générés par absorption multi photonique sont extrêmement favorisées en bord de bande interdite. Nous avons en outre étudié les structures 2D grâce à une décomposition en série de Fourier du réseau 2D et nous comparons les performances du cristal photonique 1D incliné et du cristal photonique 2D.