Nonlinear phase shift measurement by heterodyne detection in waveguides optics
Mesure du déphasage non-linéaire par détection hétérodyne en optique guidée
Résumé
Nonlinear optics has been a productive field of research and investigation for a few decades now, but the rapid progression of photonic integration platforms in recent years has opened up a whole new range of applications. On-chip integration of effective saturable absorbers and secondary sources including Brillouin laser, supercontinua, or frequency combs are few examples of the very wide possibilities offered by nonlinear nanophotonics. In this context, materials with large third-order optical nonlinearities become highly sought after, as they enable the development of nonlinear functionalities at low input powers. Given a large number of potential candidates as material for nonlinear nanophotonics, it becomes even more important to be able to measure their nonlinear optical response.The two most common techniques for measuring the optical nonlinearity of materials are the Z-scan and four wave mixing (FWM) techniques. The Z-scan method can only be applied to bulk materials, and not to optical waveguides such as the ones used in nanophotonics. In contrast, FWM can measure nonlinearities in waveguides but requires a phase matching, waveguides with low losses and high optical power.This thesis report an interferometric technique relied on heterodyne detection to measure the Kerr index of nonlinear materials. The different stages of the technique implementation have been presented as well as the data processing method. We applied this technique to nonlinear materials of different compositions such as silicon nitride, chalcogenides and silicon-on-insulator. The heterodyne interferometer is not only suitable for integrated waveguides but also for fibers and microfibers. This method has the advantage of being highly sensitive, and is therefore well-adapted to short waveguides or lossy materials. Such a tool would be useful to control nonlinearity and of great help in the development of new materials for integrated photonics.
La progression rapide de la photonique intégrée ces dernières années a ouvert un large éventail d’applications. L’intégration sur puce des absorbants saturables ou des sources secondaires comme le laser Brillouin, le supercontinuum ou les peignes de fréquence sont quelques exemples. Dans ce contexte, les matériaux présentant une grande non-linéarité optique du troisième ordre sont de plus en plus recherchés, comme le silicium ou les verres de chalcogénure. En effet, ils permettent le développement des fonctionnalités non-linéaires à une basse puissance injectée. Compte tenu du grand potentiel de ces matériaux pour la nanophotonique non-linéaire, il s’avère encore plus important de développer des méthodes de mesure pour déterminer la réponse optique non-linéaire de ces matériaux.À ce jour, parmi les techniques les plus courantes pour mesurer la non-linéarité, on retient la méthode Z-scan, qui est utilisée uniquement pour des matériaux bruts, et la méthode du mélange à quatre ondes (FWM) qui est compatible avec les guides d’ondes, mais requiert un accord de phase et des guides avec très peu de pertes, ce qui nécessite de disposer d’une filière technologique de nanofabrication déjà mature.Nous rapportons dans cette thèse, une méthode interférométrique basée sur la détection hétérodyne pour la mesure de l’indice Kerr des matériaux non-linéaires. Les différentes étapes de la mise en place de la technique et le procédé de traitement de données ont été détaillés dans ce manuscrit. La méthode a été appliquée à des matériaux non-linéaires de différentes compositions comme le nitrure de silicium, les chalcogénures et le silicium-sur-isolant, où certains d’entre eux présentent de l’absorption à deux photons que nous avons mesurée avec cette même technique. L’interféromètre hétérodyne est adapté à des guides d’ondes intégrés, mais aussi à d’autres structures guidantes telles que des fibres macroscopiques ou des microfibres. Cette technique extrêmement sensible permet de mesurer des petits déphasages non-linéaires à des puissances modérées et pour des guides présentant des grandes pertes de propagation. Un tel outil serait utile pour contrôler la non-linéarité et pour participer au développement de nouveaux matériaux pour la photonique intégrée.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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