Micro resonators coupling: applications in optical signal processing
Couplage de micro résonateurs. Applications aux fonctions optiques de traitement du signal
Résumé
The research work presented in this thesis is related to the study of optical whispering gallery mode micro-resonators or coupled ring resonators and targets optical functions for signal processing applications. In the first part we present a matrix model describing light propagation in coupled ring structures. This model is then used to numerically demonstrate the possibility of implementing signal processing functions. The use of such models is restricted to structures having known inter-guide coupling coefficients. Further on, we show that coupled ring structures of resonators, made up of medium lacking non-linear effects may be used to implement optical filters. If the resonators display a 3rd order dispersive resonance we may distinguish between two different cases depending on the given excitation: Non-resonant excitation: we show that one may obtain N+1 stable devices using a system of N coupled rings. We also show that one may obtain tristability in a single ring using a control intensity, with a reasonable tristability threshold. Resonant excitation: we show that one may obtain a signal regeneration function for optical transmissions at 40 Gbit/S. The second part of the document summarizes our research work on the optoelectronic oscillator. In a classical oscillator design one obtains a delay line using a length of fiber optics proportional to the needed delay. We wish to replace this line by a micro-resonator based delay line. We present several techniques for manufacturing spherical micro-resonators and several methods of measuring their quality factor (the latter being related to the delay).
Nous présentons dans ce mémoire de thèse des travaux qui portent sur l'étude de micro résonateurs à modes de galerie et en anneau couplés dans le but d'applications aux fonctions optiques de traitement du signal.
Dans une première partie nous présentons un modèle matriciel pour décrire la propagation de la lumière dans des structures à anneaux couplés. L'utilisation de ce modèle se résume pour des structures dont on connaît les coefficients de couplage entre les guides.
Dans le cas de résonateurs constitués d'un milieu qui ne présente pas d'effets non-linéaires nous avons montré que les structures à anneaux couples permettent de réaliser la synthèse de filtres optiques.
Si les résonateurs sont le siège d'une non linéarité dispersive d'ordre 3 nous avons deux cas possibles en fonction du type d'excitation. Hors résonance nous avons montré que nous pouvons obtenir potentiellement des dispositifs /N+1/ stables en utilisant un système formé de /N/ anneaux couplés, ainsi que la tristabilité dans un seul anneau en utilisant un signal de commande. A résonance nous avons montré que l'on peut obtenir la fonction de remise en forme du signal pour des débits de 40 Gb/s.
La deuxième partie porte sur les travaux réalisés sur l'oscillateur optoélectronique. Dans le schéma classique d'un tel oscillateur la fonction de retard optique est obtenue en utilisant une ligne à fibre optique de longueur proportionnelle au retard nécessaire. Nous voulons remplacer cette ligne avec une ligne à retard à base de microrésonateurs. Nous présentons des procédés de fabrication de résonateurs sphériques et diverses méthodes de mesure de leurs facteurs de qualité, proportionnel au retard induit.
Dans une première partie nous présentons un modèle matriciel pour décrire la propagation de la lumière dans des structures à anneaux couplés. L'utilisation de ce modèle se résume pour des structures dont on connaît les coefficients de couplage entre les guides.
Dans le cas de résonateurs constitués d'un milieu qui ne présente pas d'effets non-linéaires nous avons montré que les structures à anneaux couples permettent de réaliser la synthèse de filtres optiques.
Si les résonateurs sont le siège d'une non linéarité dispersive d'ordre 3 nous avons deux cas possibles en fonction du type d'excitation. Hors résonance nous avons montré que nous pouvons obtenir potentiellement des dispositifs /N+1/ stables en utilisant un système formé de /N/ anneaux couplés, ainsi que la tristabilité dans un seul anneau en utilisant un signal de commande. A résonance nous avons montré que l'on peut obtenir la fonction de remise en forme du signal pour des débits de 40 Gb/s.
La deuxième partie porte sur les travaux réalisés sur l'oscillateur optoélectronique. Dans le schéma classique d'un tel oscillateur la fonction de retard optique est obtenue en utilisant une ligne à fibre optique de longueur proportionnelle au retard nécessaire. Nous voulons remplacer cette ligne avec une ligne à retard à base de microrésonateurs. Nous présentons des procédés de fabrication de résonateurs sphériques et diverses méthodes de mesure de leurs facteurs de qualité, proportionnel au retard induit.
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