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Présentation
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| Structures fabriquées au LPN. |
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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.
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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.
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| Structures fabriquées au LPN. |
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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 (I F) est proportionnelle à L 2.
Comme l'intensité de la SHG (I SH) accordée
en phase varie comme L 2 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).
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.
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.
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.
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Et aussi...
PublicationsPublications 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, 033805 (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, 043834 (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. Mériadec, 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. Mériadec, 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. Mériadec, 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)
Contrats et projets
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)
Stages passés et en coursThèse
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