Laboratoire de Photonique et de Nanostructures
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Photonique non-linéaire et information quantique > Microgénérateurs non-linéaires à base de cristaux photoniques
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Structures fabriquées au LPN
Structures fabriquées au LPN.

Ce projet a pour objectif la conception, la fabrication et l'utilisation de sources non-linéaires du second ordre compactes et efficaces. L'approche poursuivie consiste en la mise en œuvre d'une structuration sub-longueur d'onde de matériaux semiconducteurs. Ces matériaux possèdent des susceptibilités non-linéaires quadratiques très élevées (un à deux ordres de grandeurs supérieurs à celles des matériaux usuels). La structuration périodique permet de compenser leur forte dispersion chromatique (réalisation de la condition d'accord de phase) et de ralentir les ondes en interaction non-linéaire.
Nous avons récemment démontré une génération de second harmonique dont l'efficacité de conversion varie comme L6 dans une structure unidimensionnelle stratifiée. Par ailleurs, nous avons développé une méthode de simulation numérique permettant de prédire l'efficacité de génération de second harmonique dans des cristaux photoniques bidimensionnels. Vous pouvez également consulter nos projets en cours



1 - Microgénérateur 1D AlOx/AlGaAs

Les milieux stratifiés ont été proposés dans les premiers pas de l'optique non linéaire du second ordre comme un moyen de réaliser l'accord des vitesses de phase des ondes en interaction non linéaire de façon à obtenir une conversion de fréquence efficace. Pour une réalisation expérimentale de cette proposition, appelée quasi-accord de phase, on peut utiliser une distribution périodique de la susceptibilité du second ordre (caractéristique des propriétés non linéaires du matériau) dans un matériau d'indice de réfraction (caractéristique des propriétés linéaires du matériau) uniforme (R. L. Byer et collaborateurs). Ce réseau périodique remet en phase la polarisation non linéaire et les ondes engendrées.

Alternativement, on peut obtenir l'accord de phase en tirant profit des propriétés de dispersion d'un milieu dont l'indice de réfraction est distribué de façon périodique. Dans des conditions bien particulières, cette périodicité conduit à une diminution de la vitesse de groupe des ondes en interaction. Cette propriété a été exploitée pour exalter la génération de seconde harmonique (SHG). Des structures lamellaires unidimensionnelles présentant une variation périodique de l'indice de réfraction ont été proposées par Scalora et collaborateurs de façon à obtenir une SHG très efficace en réalisant simultanément l'accord de phase et l'exaltation du champ. Ces structures périodiques stratifiées ont une stop-band qui empêche la propagation de la lumière dans une bande spectrale autour de la longueur d'onde centrale de Bragg d'une façon tout à fait analogue au structures photoniques à bande interdite. Elles sont appelées cristaux photoniques 1D (1D-PCs) ou miroirs de Bragg distribués. La région spectrale de la stop-band est encadrées pas une série de résonances relativement étroites pour lesquelles la réflectivité tombe à zéro et la transmission est maximale. Cette annulation de la réflectivité correspond a un déphasage total de pi pour le faisceau transmis.
AlOx
Structures fabriquées au LPN.


  Cette caractéristique de la dispersion des 1D-PCs implique que l'accord de phase pour la SHG peut être obtenu si la  2n-ième résonance latérale de la stop-band du second ordre se situe à exactement 2 fois la fréquence de la n-ième résonance de la stop-band du premier ordre. Simultanement le champ électromagnétique qui se propage dans ces “résonances de Bragg distribuées” est exalté.
Un calcul analytique simple dans le cadre de l'approximation des modes couplés indique que pour une structure de Bragg assez longue de longueur L, l'exaltation du champ est proportionnelle à L, alors que l'exaltation de l'intensité (IF) est proportionnelle à L2. Comme l'intensité de la SHG (ISH) accordée en phase varie comme L2 au cours de la propagation et dépend quadratiquement de l'intensité du fondamental, on obtient :

ISH~L6

Nous avons récemment démontré expérimentalement une telle dépendance hyper-quadratiques dans des 1D-PCs constitués d'un alternance GaAlAs/AlOx (cf. figure ci-dessous).
L6 WIDTH=

2-Microgénérateurs 2D

Nous avons développé un logiciel basé sur la méthode des différences finies en 2D (FDTD 2D) nous permettant de décrire le phénomène de génération de seconde harmonique (GSH) dans les cristaux photoniques (CPs) 1D et 2D. Nous avons appliqué ce programme aux guide d'ondes formés par 1 défaut linéique (ligne de trous supprimée) dans un CP2D où l'accord de phase est obtenue en réalisant une ingénierie de la dispersion des modes de Bloch. La méthode FDTD (NLFDTD) que nous avons développée constitue une alternative intuitive pour l'analyse de la GSH dans une structure 2D arbitraire. Certaines approximations sont faites et permettent de réduire le temps de calcul. En particulier, les simulations sont réalisées en négligeant la déplétion de l'onde fondamentale (F) et la dispersion chromatique à l'intérieur des impulsions. Le programme est basé sur l'implémentation en parallèle de 2 FDTDs linéaires, la première opérant à la longueur d'onde du fondamental et la deuxième à la longueur d'onde de la seconde harmonique (SH). La non-linéarité quadratique n'est prise en compte que pour le calcul d'une onde SH, en négligeant la reconversion du SH en F. La dispersion chromatique est considérée en rentrant comme paramètre l'indice de réfraction du matériau aux longueurs d'onde F et SH. La séparation artificielle de la propagation du F et du SH permet d'identifié facilement la distribution spatiale des champs électromagnétiques F et SH aussi bien que d'autres paramètres physiques intéressants.

FDTD



3-Projets en cours

 Loi en L6 en optique guidée

Nous nous proposons de transposer en optique guidée l'approche « verticale » utilisant une interaction nonlinéaire entre modes fondamental et second harmonique situés en bord de bande interdite. L'avantage de l'approche guidée est double : fort confinement spatial et accès à la composante du tenseur non-linéaire la plus élevée. Elle requiert néanmoins des prouesses technologiques comme le montre la photo ci dessous.

radiateur



 Cristaux photoniques bidimensionnels

Nous explorons en parallèle les cristaux photoniques bidimensionnels en régime non-linéaire du second ordre. Deux configurations sont en cours d'évaluation : l'utilisation de défauts linéiques constituant des guides optiques de très faibles dimensions (figure ci-dessous) et les structures périodiques parfaites qui se comportent comme de résonateurs distribués bi-dimensionnels.

Guide 2D
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Puce Membres

Contacts

 Levenson Juan Ariel  (+33) 1 69 63 61 87  
 Raineri Fabrice  (+33) 1 69 63 63 92  

Et aussi...

 Monnier Paul  (+33) 1 69 63 61 83  
 Raj Rama  (+33) 1 69 63 61 95  

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Puce Publications

Publications dans des journaux
  • Lossless backward second-harmonic generation of extremely narrow subdiffractive beams in two-dimensional photonic crystals , C. Nistor, C. Cojocaru, T. J. Karle, F. Raineri, J. Trull, R. Raj, K. Staliunas, Phys. Rev. A 82, 33805 (2010)
  • Phase locked second and third harmonic localization in semiconductor cavities , V. Roppo, C. Cojocaru, G. D'Aguanno, F. Raineri, J. Trull, Y. Halioua, R. Vilaseca, J. Optoelectron. Adv. Mater. 12, 57 (2010)
  • Field localization and enhancement of phase-locked second- and third-order harmonic generation in absorbing semiconductor cavities , V. Roppo, C. Cojocaru, F. Raineri, G. D'Aguanno, J. Trull, Y. Halioua, R. Raj, I. Sagnes, R. Vilaseca, M. Scalora, Phys. Rev. A 80, 43834 (2009)
  • Second-harmonic generation in one-dimensional photonic edge waveguides , Y. Dumeige, F. Raineri, J. A. Levenson, X. Letartre, Phys. Rev. E 68, 65535 (2003)
  • Chi(2) semiconductor photonic crystal , Y. Dumeige, I. Sagnes, P. Monnier, P. Vidakovic, C. Meriadec, J. A. Levenson, J. Opt. Soc. Am. B 19, 2094 (2002)
  • Phase-matched frequency doubling at photonic band-edges: efficiency scaling as the fifth power of the length , Y. Dumeige, I. Sagnes, P. Monnier, P. Vidakovic, I. Abram, C. Meriadec, J. A. Levenson, Phys. Rev. Lett. 89, 43901 (2002)
  • Deep in situ dry-etch monitoring of III-V multilayer structures using laser reflectometry and reflectivity modelling , H. Moussa, R. Daneau, C. Meriadec, L. Ferlazzo, I. Sagnes, R. Raj, J. Vac. Sci. Technol. A 20, 748 (2002)
  • Nonlinear decoupled FDTD code: phase-matching in 2D defective crystal , F. Raineri, Y. Dumeige, X. Letartre, J. A. Levenson, Electron. Lett. 38, 1704 (2002)
  • Enhancement of second-harmonic generation in a 1-D semiconductor ohotonic bandgap , Y. Dumeige, P. Vidakovic, S. Sauvage, I. Sagnes, J. A. Levenson, C. Sibilia, M. Centini, G. D'Aguanno, M. Scalora, Appl. Phys. Lett. 78, 3021 (2001)
  • Photonic band edge effects in finite structures and applications to chi(2) interactions , G. D'Aguanno, M. Centini, C. Sibilia, M. Bertolotti, Y. Dumeige, P. Vidakovic, J. A. Levenson, M. Scalora, M. J. Bloemer, C. M. Bowden, Phys. Rev. E 64, 16609 (2001)
  • Nonlinear frequency conversion: choose your color FROM the photonic band edge , M. Scalora, M. J. Bloemer, C. M. Bowden, G. D'Aguanno, M. Centini, C. Sibilia, M. Bertolotti, Y. Dumeige, I. Sagnes, P. Vidakovic, J. A. Levenson, Optics and Photonic News 25, 1585 (2001)
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Puce Contrats et projets

    Puce Projets Internationaux

      PHC PICASSO : Active non diffractive light propagation through non-linear photonic crystals

      Référence de contrat : Binational project supported by the Egide between Spain and France
      Responsable(s) LPN : Fabrice Raineri, Rama Raj
      Principaux objectifs : The motivation of this project is to combine non diffractive propragation in photonic crystals and non-linear optics. (2009-2010)

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Puce Stages passés et en cours

Post-doctorat

Thèse


  • Etude des structures hybrides: Cristal Photonique non linéaire en semiconducteur III-V/ guide d’onde en silicium

    • A. Bazin-(2009-09-01 / 2012-10-01)
    Contact : F. Raineri , R. Raj
    Groupe : Photonique Nonlineaire et Information Quantique (PHOTONIQ)
    En savoir plus

  • Circuits intégrés optiques à base de structures hybrides Cristal photonique en InP/ guide d’onde en silicium

    • Y. Halioua-(2007-10-01 / 2010-10-31)
    Contact : F. Raineri , R. Raj
    Groupe : Photonique Nonlineaire et Information Quantique (PHOTONIQ)
    En savoir plus

  • Optique non linéaire dans les cristaux photoniques à semiconducteurs III-V

    • F. Raineri-(2001-10-01 / 2004-10-31)
    Contact : J. A. Levenson
    Groupe : Photonique Nonlineaire et Information Quantique (PHOTONIQ)
    En savoir plus
    Thèse de doctorat de l'Université Paris Sud Ce travail de thèse constitue une contribution théorique et expérimentale aux études sur les effets d’optique non linéaires dans les cristaux photoniques en semiconducteurs III-V. Les cristaux photoniques sont des matériaux artificiels présentant une modulation périodique de l’indice de réfraction à l’échelle de la longueur d’onde de la lumière. En contrôlant les paramètres physiques de ces structures (périodicité, motifs, facteur de remplissage en air…), il est possible de réaliser une véritable ingénierie des propriétés dispersives de la matière pour, par exemple, empêcher la lumière de se propager dans toutes les directions de l’espace. L’objectif de cette thèse est de combiner les propriétés dispersives uniques des cristaux photoniques aux propriétés non linéaires très intéressantes des semiconducteurs III-V afin d’exalter les interactions non linéaires entre la lumière et la matière. Nous verrons que les cristaux photoniques 1D et 2D sont adéquats pour obtenir des effets non linéaires du second ordre (génération de seconde harmonique) efficaces sur de courtes distances car ils permettent de réaliser la condition d’accord de phase dans des matériaux fortement non linéaires comme l’AlxGa1-xAs tout en ralentissant la lumière. Nous montrerons également que les cristaux photoniques 2D en semiconducteurs III-V permettent de réaliser les briques de bases actives pour le traitement du signal tout optique comme des sources lasers, des amplificateurs, des commutateurs ultrarapides…

Stage


  • Cristaux photoniques bidimensionnels en semi-conducteurs spectralement accordables : une solution innovante et flexible pour l'optique intégrée

    • Niveau : Master2
    Contact : N. Belabas , F. Raineri
    Groupe : Photonique Nonlineaire et Information Quantique (PHOTONIQ)
    En savoir plus
    Projet scientifique: Les cristaux photoniques (CP) sont des structures périodiques à l'échelle de la longueur d'onde. Cette périodicité permet une manipulation particulièrement élégante et efficace de la propagation de la lumière. On peut par exemple empêcher la lumière de se propager dans des larges bandes de fréquence ou bien la ralentir pour exalter ses intéractions avec la matière. Grâce à ces propriétés, les cristaux photoniques bidimensionnels remplissent les conditions pour devenir la future plateforme de l'optique intégrée. Un défi actuel est notamment d'être capable de produire des dispositifs de réponse optique reconfigurable (CP accordables) pour réaliser des fonctions actives indispensables pour le traitement de données telles que la commutation ou l'aiguillage. Plusieurs pistes sont envisageables : -Inclusion de cristaux liquides dans des cristaux photoniques à 2 dimensions. -Systèmes mécaniques pour exercer des contraintes sur les structures. -Effets non-linéaires ou thermiques. Techniques utilisées: Fabrication : Lithographie e-beam, épitaxie aux organo-métalliques,Gravure ionique réactive Séchage super-critique, chimie Caractérisation: FTIR (Spectroscopie IR par transformées de Fourier), Microscopie électronique, expériences d'optique (pompe-sonde femtoseconde).

  • Optique non linéaire dans les microcavités et les guides d’onde à cristaux photoniques 2D

    • Niveau : Master2
    Contact : F. Raineri , J. A. Levenson
    Groupe : Photonique Nonlineaire et Information Quantique (PHOTONIQ)
    En savoir plus
    Les cristaux photoniques sont des matériaux artificiels dans lesquels une structuration périodique sub-longueur d’onde de la constante diélectrique a été réalisée. Ces nanostructures suscitent depuis quelques années un vif intérêt de la part de la communauté scientifique car, de la même façon que les études menées sur la physique et la fabrication des semiconducteurs ont initié, il y a 50 ans, la révolution de la microélectronique, leur conception pourrait être à l’origine d’un renouvellement du domaine de la photonique. L’idée de structurer la matière à l’échelle de la longueur d’onde de la lumière semble être en effet la clef pour contrôler la propagation des photons. De cette manière, il est possible non seulement de guider efficacement la lumière mais aussi de modifier sa vitesse de phase et de groupe. Ces propriétés peuvent être exploitées dans plusieurs optiques comme la réalisation des circuits photoniques intégrés, mais aussi pour résoudre des problèmes plus fondamentaux liés au contrôle des interactions lumière-matière. L’étude des interactions non linéaires dans les cristaux photoniques constitue une des thématiques de recherche de notre équipe. Plus particulièrement, notre objectif est de démontrer qu’en combinant les propriétés dispersives de ces objets aux importantes non linéarités des semiconducteurs III-V comme le GaAs et l’InP, nous pouvons obtenir des effets non linéaires géants (comme la génération paramétrique ou l’effet Kerr) permettant d’envisager de multiples applications nouvelles pour l’optique intégrée (source paramétrique intégrée, commutateur bistable, aiguilleur optique, etc…). Ce stage a pour objectif l’étude expérimentale des interactions non linéaires du second et du troisième ordre dans les guides d’onde et les microcavités à base de cristaux photoniques bidimensionnels et de démontrer que le fort confinement du champ électromagnétique dans ces objets est un avantage pour obtenir des effets non linéaires exaltés. L’étudiant participera aussi bien au travail de conception et de fabrication des structures qu’à la mise en place des montages expérimentaux permettant les démonstrations de fonctionnements non linéaires.
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