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Thèse Année : 2021

Four wave mixing in III-V semiconductor photonic crystal cavities

Mélange à quatre ondes dans des cavités à cristaux photoniques en semiconducteur III-V

Résumé

All optical signal processing could drastically reduce the power consumption and increase the data rates allowed by its electronic counterpart. This approach requires the integration of multiple photonics systems on a chip. Components exploiting parametric interactions can perform various tasks such as wavelength conversion, amplification, sampling and switching as well as provide non-classical state–of-light for quantum information. Nonlinear micro-resonators are attractive in order to reduce the footprint of the component and the power required to activate the nonlinear effects. Photonic crystals (PhC) cavities seem to provide a very interesting platform due to their ability to strongly confine light in a close to diffraction-limited volume. However, due to the difficulty to engineer the dispersion of the photonic crystal cavity modes, the nonlinear efficiencies have remained well below the theoretical maximum allowed by these structures. Based on the previous work realized by the research group, the aim of this thesis is to harness the potential of nonlinear PhC cavities. The cavities studied in this work are by design the optical analogous of the quantum harmonic oscillator. When the photons are submitted to a parabolic electromagnetic potential, the modes of the cavity are equally spaced in frequency, which matches the energy conservation requirement for parametric interactions. However, the linear characterization of these resonators shows that the structural disorder induces a deviation on the targeted frequency that requires a compensation technique. To tackle this issue, a thermal tuning process that exploits the inhomogeneous spatial distribution of the electromagnetic modes is introduced. It allows to systematically put the cavity in a triply resonant configuration. This tuning technique is used to observe stimulated and spontaneous four wave mixing with record efficiency. Parametric oscillation in a PhC cavity is demonstrated for the first time in a sample with higher quality factors. A second platform is also developed, based on the hybrid integration of a PhC cavity on a silicon circuitry, with a very low footprint and high integration capability. Efficient four wave mixing is again observed using the same tuning technique.
Un traitement tout optique du signal pourrait réduire considérablement la consommation d’énergie et augmenter le débit de données par rapport à son analogue électronique. Cette approche nécessite l’intégration de multiples systèmes photoniques sur une puce. Les composants qui exploitent les interactions paramétriques peuvent réaliser différentes fonctions comme la conversion de longueur d’onde, l’amplification, l’échantillonnage et la commutation. Les micro-résonateurs non-linéaires sont intéressants car ils permettent la réduction de l’empreinte sur puce du composant et de la puissance nécessaire pour activer les effets non-linéaires. Parmi eux, les cavités à cristaux photoniques (PhC) paraissent être particulièrement prometteuses du fait de leur capacité à confiner la lumière dans un volume proche celui permis par la limite de diffraction. Pourtant, la difficulté de contrôler la dispersion de leurs modes résonants explique que les efficacités non-linéaires observées sont restées bien inférieures aux maxima théoriques prévus pour ces structures. Partant des travaux réalisés précédemment au sein de l’équipe de recherche, l’objectif de ce travail de thèse consiste à exploiter pleinement le potentiel des cavités PhC non-linéaires. Les cavités étudiées dans ce travail ont été conçues pour générer un potentiel parabolique pour les photons afin d'obtenir des modes résonants équispacés en fréquence, pour convenir à la règle de conservation de l’énergie requise pour les interactions paramétriques. Cependant, la caractérisation linéaire des résonateurs montre que le désordre structurel induit une déviation par rapport aux fréquences visées qui nécessite une technique de compensation. Pour résoudre ce problème, un procédé d’ajustement thermique qui exploite la répartition inhomogène de la distribution spatiale des modes électromagnétiques est introduit. Il permet de mettre de façon systématique la cavité en configuration triplement résonnante. Ce procédé d’ajustement est employé pour observer du mélange à quatre ondes stimulé et spontané avec des efficacités record. L’oscillation paramétrique dans une cavité PhC est démontrée pour la première fois dans un échantillon avec des facteurs de qualité plus élevés. Une seconde plateforme est développée, basée sur l’intégration hybride d’une cavité PhC sur un circuit en silicium, avec une empreinte sur puce réduite et une excellente capacité d’intégration. Un mélange à quatre ondes efficace est encore une fois observé en utilisant le même procédé d’ajustement que précédemment.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03550574 , version 1 (01-02-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03550574 , version 1

Citer

Gabriel Marty. Four wave mixing in III-V semiconductor photonic crystal cavities. Optics / Photonic. Université Paris-Saclay, 2021. English. ⟨NNT : 2021UPASP045⟩. ⟨tel-03550574⟩
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